C++创建型模式之生成器模式

解决的问题

生成器模式（Builder Pattern）主要解决复杂对象的构建问题。当一个对象的创建过程非常复杂，涉及多个步骤和多个部件时，使用生成器模式可以将对象的构建过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

适用场景
  1. 复杂对象的构建：当对象的构建过程非常复杂，涉及多个步骤和多个部件时。
  2. 不同的构建过程：当需要不同的表示时，可以使用相同的构建过程。
  3. 逐步构建：当对象的构建过程可以逐步进行时。
模式的参与者角色
  1. Builder（生成器接口）：定义构建产品的各个部件的抽象接口。
  2. ConcreteBuilder（具体生成器）：实现 Builder 接口，负责构建产品的各个部件。
  3. Product（产品）：表示正在构建的复杂对象。
  4. Director（指导者）：使用 Builder 接口来构建产品。

以生产汽车为例的生成器模式示例代码

#include <iostream>
#include <string>

// 产品类：汽车
class Car {
public:
    void setBody(const std::string& body) { body_ = body; }
    void setEngine(const std::string& engine) { engine_ = engine; }
    void setWheels(const std::string& wheels) { wheels_ = wheels; }
    void setInterior(const std::string& interior) { interior_ = interior; }

    void show() const {
        std::cout << "Car Configuration: " << std::endl;
        std::cout << "Body: " << body_ << std::endl;
        std::cout << "Engine: " << engine_ << std::endl;
        std::cout << "Wheels: " << wheels_ << std::endl;
        std::cout << "Interior: " << interior_ << std::endl;
    }

private:
    std::string body_;
    std::string engine_;
    std::string wheels_;
    std::string interior_;
};

// 抽象生成器接口
class CarBuilder {
public:
    virtual ~CarBuilder() {}
    virtual void buildBody() = 0;
    virtual void buildEngine() = 0;
    virtual void buildWheels() = 0;
    virtual void buildInterior() = 0;
    virtual Car* getCar() = 0;
};

// 具体生成器：SUV 汽车
class SUVBuilder : public CarBuilder {
public:
    SUVBuilder() { car_ = new Car(); }
    ~SUVBuilder() { delete car_; }

    void buildBody() override { car_->setBody("SUV Body"); }
    void buildEngine() override { car_->setEngine("SUV Engine"); }
    void buildWheels() override { car_->setWheels("SUV Wheels"); }
    void buildInterior() override { car_->setInterior("SUV Interior"); }

    Car* getCar() override { return car_; }

private:
    Car* car_;
};

// 具体生成器：Sedan 汽车
class SedanBuilder : public CarBuilder {
public:
    SedanBuilder() { car_ = new Car(); }
    ~SedanBuilder() { delete car_; }

    void buildBody() override { car_->setBody("Sedan Body"); }
    void buildEngine() override { car_->setEngine("Sedan Engine"); }
    void buildWheels() override { car_->setWheels("Sedan Wheels"); }
    void buildInterior() override { car_->setInterior("Sedan Interior"); }

    Car* getCar() override { return car_; }

private:
    Car* car_;
};

// 指导者
class Director {
public:
    void setBuilder(CarBuilder* builder) { builder_ = builder; }

    Car* constructCar() {
        builder_->buildBody();
        builder_->buildEngine();
        builder_->buildWheels();
        builder_->buildInterior();
        return builder_->getCar();
    }

private:
    CarBuilder* builder_;
};

// 客户端代码
int main() {
    Director director;

    // 创建 SUV
    std::cout << "Building SUV..." << std::endl;
    SUVBuilder suvBuilder;
    director.setBuilder(&suvBuilder);
    Car* suv = director.constructCar();
    suv->show();
    delete suv;

    // 创建 Sedan
    std::cout << "\nBuilding Sedan..." << std::endl;
    SedanBuilder sedanBuilder;
    director.setBuilder(&sedanBuilder);
    Car* sedan = director.constructCar();
    sedan->show();
    delete sedan;

    return 0;
}

代码说明

  1. Car 类表示正在构建的汽车产品，包含汽车的各个部件。
  2. CarBuilder 是一个抽象生成器接口，定义了构建汽车各个部件的方法和一个获取最终产品的接口。
  3. SUVBuilder 和 SedanBuilder 是具体生成器类，分别实现了 CarBuilder 接口，用于构建 SUV 和 Sedan 汽车。
  4. Director 类负责使用 CarBuilder 接口来构建汽车。它通过调用生成器的各个构建方法来逐步构建汽车。
  5. Client 在 main 函数中使用 Director 和具体生成器来构建不同类型的汽车，并展示汽车配置。

总结

生成器模式通过将复杂对象的构建过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。在需要逐步构建复杂对象或需要不同表示的场景中，生成器模式非常有用。

模板方法（Template Method）模式与生成器（Builder）模式

形式相似点
  1. 抽象类与具体类：两种模式都涉及抽象类（或接口）和具体实现类。
  2. 分步构建：都需要分步骤构建复杂对象或执行算法。
目的的不同点
  1. 模板方法模式：定义一个算法的框架，允许子类在不改变算法结构的情况下重新定义算法的某些步骤。目的是为了代码复用和算法的一致性。
  2. 生成器模式：将复杂对象的构建过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。目的是为了构建复杂对象时的灵活性和可扩展性。

模板方法模式的代码示例

#include <iostream>
#include <string>

// 抽象类，定义模板方法
class AbstractClass {
public:
    // 模板方法
    void templateMethod() {
        step1();
        step2();
        step3();
    }

protected:
    virtual void step1() = 0;
    virtual void step2() = 0;
    virtual void step3() = 0;
};

// 具体类1
class ConcreteClass1 : public AbstractClass {
protected:
    void step1() override {
        std::cout << "ConcreteClass1: Step 1" << std::endl;
    }

    void step2() override {
        std::cout << "ConcreteClass1: Step 2" << std::endl;
    }

    void step3() override {
        std::cout << "ConcreteClass1: Step 3" << std::endl;
    }
};

// 具体类2
class ConcreteClass2 : public AbstractClass {
protected:
    void step1() override {
        std::cout << "ConcreteClass2: Step 1" << std::endl;
    }

    void step2() override {
        std::cout << "ConcreteClass2: Step 2" << std::endl;
    }

    void step3() override {
        std::cout << "ConcreteClass2: Step 3" << std::endl;
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    AbstractClass* class1 = new ConcreteClass1();
    class1->templateMethod();
    delete class1;

    std::cout << std::endl;

    AbstractClass* class2 = new ConcreteClass2();
    class2->templateMethod();
    delete class2;

    return 0;
}

生成器模式的代码示例

#include <iostream>
#include <string>

// 产品类
class Product {
public:
    void setPartA(const std::string& partA) { partA_ = partA; }
    void setPartB(const std::string& partB) { partB_ = partB; }
    void setPartC(const std::string& partC) { partC_ = partC; }

    void show() const {
        std::cout << "Product parts: " << partA_ << ", " << partB_ << ", " << partC_ << std::endl;
    }

private:
    std::string partA_;
    std::string partB_;
    std::string partC_;
};

// 抽象生成器接口
class Builder {
public:
    virtual ~Builder() {}
    virtual void buildPartA() = 0;
    virtual void buildPartB() = 0;
    virtual void buildPartC() = 0;
    virtual Product* getProduct() = 0;
};

// 具体生成器
class ConcreteBuilder : public Builder {
public:
    ConcreteBuilder() { product_ = new Product(); }
    ~ConcreteBuilder() { delete product_; }

    void buildPartA() override { product_->setPartA("PartA"); }
    void buildPartB() override { product_->setPartB("PartB"); }
    void buildPartC() override { product_->setPartC("PartC"); }

    Product* getProduct() override { return product_; }

private:
    Product* product_;
};

// 指导者
class Director {
public:
    void setBuilder(Builder* builder) { builder_ = builder; }

    Product* constructProduct() {
        builder_->buildPartA();
        builder_->buildPartB();
        builder_->buildPartC();
        return builder_->getProduct();
    }

private:
    Builder* builder_;
};

// 客户端代码
int main() {
    Director director;

    // 创建具体生成器
    ConcreteBuilder builder;
    director.setBuilder(&builder);

    // 构建产品
    Product* product = director.constructProduct();
    product->show();
    delete product;

    return 0;
}

代码说明

模板方法示例
  1. AbstractClass：定义了一个模板方法 templateMethod()，其中包含了三个抽象步骤 step1(), step2(), step3()。
  2. ConcreteClass1 和 ConcreteClass2：具体子类，分别实现了抽象步骤，但模板方法的结构保持不变。
  3. 客户端代码：通过创建 ConcreteClass1 和 ConcreteClass2 的对象，调用 templateMethod() 方法来执行算法，子类可以在不改变算法结构的情况下重新定义算法的某些步骤。
生成器模式示例
  1. Product：表示正在构建的复杂对象。
  2. Builder：抽象生成器接口，定义了构建产品的各个部件的方法和一个获取最终产品的接口。
  3. ConcreteBuilder：具体生成器类，实现了 Builder 接口，负责构建产品的各个部件。
  4. Director：指导者类，使用 Builder 接口来构建产品。通过调用生成器的各个构建方法来逐步构建产品。
  5. 客户端代码：通过 Director 和 ConcreteBuilder 来构建产品，并展示产品配置。

总结

  • 模板方法模式：目的是为了代码复用和算法的一致性，通过定义算法的框架，允许子类在不改变算法结构的情况下重新定义算法的某些步骤。
  • 生成器模式：目的是为了构建复杂对象时的灵活性和可扩展性，通过将复杂对象的构建过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

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