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「软件设计模式」建造者模式（Builder）

article 2025/2/19 15:22:53

深入解析建造者模式：用C++打造灵活对象构建流水线

引言：当对象构建遇上排列组合

在开发复杂业务系统时，你是否经常面对这样的类：它有20个成员变量，其中5个是必填项，15个是可选项。当用户需要创建豪华套餐A（含加冰可乐）或基础套餐B（不要洋葱）时，传统的构造函数早已不堪重负。这正是建造者模式（Builder Pattern）大展拳脚的舞台！

一、模式精髓解析

建造者模式通过分步构建的方式解耦复杂对象的创建过程，让同一构建流程能产出不同表现形式的产品。就像麦当劳的点餐系统：选择汉堡基底→添加配料→选择饮料→完成套餐组合。

二、C++模式实现结构

核心组件拆解

Product（产品）：需要构建的复杂对象
Builder（抽象建造者）：定义构建步骤的接口
ConcreteBuilder（具体建造者）：实现具体构建逻辑
Director（指挥者）：控制构建流程（可选）

三、实战：定制汉堡套餐系统

我们以快餐店汉堡套餐系统为例，演示如何实现不同配置的套餐组合。

1. 产品类定义

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>

class HamburgerMeal {
public:
    void showMeal() const {
        std::cout << "=== 您的套餐配置 ===" << std::endl;
        std::cout << "主餐: " << mainItem << std::endl;
        std::cout << "饮料: " << drink << std::endl;
        std::cout << "附加项: ";
        for (const auto& item : sides) {
            std::cout << item << " ";
        }
        std::cout << "\n甜点: " << (dessert.empty() ? "无" : dessert) << std::endl;
    }

private:
    friend class MealBuilder; // 允许建造者访问私有成员

    std::string mainItem;
    std::string drink;
    std::vector<std::string> sides;
    std::string dessert;
};

2. 建造者实现

class MealBuilder {
public:
    MealBuilder() = default;

    MealBuilder& setMain(const std::string& main) {
        meal.mainItem = main;
        return *this;
    }

    MealBuilder& setDrink(const std::string& drink) {
        meal.drink = drink;
        return *this;
    }

    MealBuilder& addSide(const std::string& side) {
        meal.sides.push_back(side);
        return *this;
    }

    MealBuilder& setDessert(const std::string& dessert) {
        meal.dessert = dessert;
        return *this;
    }

    HamburgerMeal build() {
        // 验证必要参数
        if (meal.mainItem.empty()) {
            throw std::invalid_argument("必须指定主餐");
        }
        return meal;
    }

private:
    HamburgerMeal meal;
};

3. 客户端调用

#include "../../include/header.h"
#include "buger.h"
#include "meal_builder.h"
int main() {
    try {
        // 豪华套餐
        HamburgerMeal premiumMeal = MealBuilder()
                                        .setMain("安格斯牛肉汉堡")
                                        .setDrink("大杯可乐")
                                        .addSide("薯条")
                                        .addSide("鸡块")
                                        .setDessert("苹果派")
                                        .build();

        // 简约套餐
        HamburgerMeal simpleMeal = MealBuilder().setMain("经典鸡腿堡").setDrink("小杯雪碧").build();

        premiumMeal.showMeal();
        std::cout << "\n";
        simpleMeal.showMeal();

    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "套餐创建失败: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

4.执行结果

四、高级技巧：支持多种预设配置

class MealPreset {
public:
    static HamburgerMeal createChildrenMeal() {
        return MealBuilder()
            .setMain("迷你汉堡")
            .setDrink("牛奶")
            .addSide("水果杯")
            .setDessert("小饼干")
            .build();
    }

    static HamburgerMeal createComboMeal() {
        return MealBuilder()
            .setMain("双层牛肉堡")
            .setDrink("中杯可乐")
            .addSide("薯条")
            .build();
    }
};

五、模式优势深度解析

🚀 C++实现特色优势

强类型检查：编译期发现类型错误
RAII支持：自动资源管理
移动语义：高效的对象传递
灵活内存控制：支持栈对象和智能指针

💡 适用场景扩展

需要生成的对象有多个变体
对象创建需要多个步骤的初始化
需要隔离复杂对象的创建细节
需要支持不同地区配置（如语言包加载）

六、性能优化策略

参数预校验：在build()前进行参数检查
使用移动语义：减少对象拷贝开销
对象池技术：对频繁创建的对象进行缓存
const正确性：确保构建后的对象不可变

七、与工厂模式对比

特性	建造者模式	工厂模式
构建重点	分步骤构建复杂对象	直接创建完整对象
参数处理	支持可选参数和分步设置	通常需要一次性传递所有参数
对象复杂度	适合构建多部件组成的复杂对象	适合创建单一结构的对象
扩展性	通过新增Builder实现不同配置	通过子类化工厂来创建不同对象
典型C++实现	链式方法+友元类	静态工厂方法/抽象工厂

八、现代C++增强实现

// 使用现代C++特性优化建造者
template<typename T>
class GenericBuilder {
protected:
    T object;

public:
    operator T() && {  // 右值转换运算符
        return std::move(object);
    }

    T build() && {     // 右值build方法
        return std::move(object);
    }
};

class ModernMeal : public GenericBuilder<ModernMeal> {
public:
    ModernMeal& setMain(std::string main) {
        object.mainItem = std::move(main);
        return *this;
    }

    // 其他设置方法类似...
};