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漫谈Python设计模式:建造者(Builder)模式

off999 2024-10-27 11:57 60 浏览 0 评论

漫谈Python设计模式系列:

在上一篇我们对工厂方法(Factory Method)和抽象工厂(Abstract Factory)模式进行示例和介绍，接下来继续创建型模式的建造者(Builder)模式进行示例和说明。

建造者(Builder)是一种种常见的创建型模式。

Builder是一种创建型的设计模式，可让您逐步构建复杂的对象。该模式允许您使用相同的构造代码生成对象的不同类型和表示形式。

为什么需要建造者(Builder)

加入我们需要创建一个复杂的对象，就需要费力的逐步初始化许多字段和嵌套对象。这样的初始化代码通常被埋藏在一个庞大的构造函数中，带有大量的参数。

例如：假如创建一个房屋（House）类/对象；要建造一个简单的房屋：你需要建造四面墙和一块地板，安装一扇门，安装一对窗户，以及建造一顶屋顶。但是如果要创建一个更大、更明亮的房屋，带有后院和其他设施（比如供暖系统、管道系统和电气布线）呢？

按照面向对象的设计远程。最简单的解决方案是扩展基类 House，并创建一系列子类来覆盖所有参数的组合。但最终你会得到相当多的子类。任何新的参数：比如门廊的风格，都将需要进一步扩展这个层次结构。通过为对象的每个可能的配置创建子类，可能会使程序变得过于复杂。

还有另一种方法，不涉及衍生子类。你可以在基类 House 中创建一个巨大的构造函数，包含控制房屋对象的所有可能参数。虽然这种方法确实消除了子类的需要，但也带来了另一个问题。在大多数情况下，大多数参数都不会被使用，这使得构造函数调用变得非常难看。例如，只有一小部分房屋有游泳池，因此与游泳池相关的参数十之八九是无用的。

Builder 模式就是将复杂的对象构建过程转化为一系列步骤来逐步构造，通过拆解过程为一组步骤，简化参数。

建造者(Builder)

Builder 模式建议您从其自己的类中提取对象构造代码，并将其移动到称为builders的单独对象中。建造者(Builder)模式允许您逐步构建复杂的对象。

建造者(Builder)模式将对象构造组织为一组步骤（buildWalls、buildDoor等）。要创建对象，您需要在构建器对象上执行一系列这些步骤。重要的是您不需要调用所有步骤。您只能调用生成对象的特定配置所需的那些步骤。

当您需要构建产品的各种表示形式时，某些构建步骤可能需要不同的实现。例如，小屋的墙壁可以用木头建造，但城堡的墙壁必须用石头建造。

在这种情况下，您可以创建多个不同的构建器类，它们以不同的方式实现同一组构建步骤。然后，您可以在构建过程（即对构建步骤的一组有序调用）中使用这些构建器来生成不同类型的对象。

导演(Director)

在建造者(Builder)模式中，我们需要一个角色来控制构建步骤，这个角色叫导演(Director)，将对用于构建产品的构建器步骤的一系列调用提取到名为director 的单独类中。导演类定义执行构建步骤的顺序，而构建器则提供这些步骤的实现。

在你的程序中设置主管类并不是绝对必要的。您始终可以直接从客户端代码按特定顺序调用构建步骤。然而，director 类可能是放置各种构造例程的好地方，以便您可以在程序中重用它们。

此外，director 类对客户端代码完全隐藏了产品构造的细节。客户端只需要关联一个builder和一个director，与director一起启动构建，然后从builder那里得到结果。

建造者(Builder)的结构

建造者接口声明了所有类型的建造者共同的产品构造步骤。
具体建造者提供了对构造步骤的不同实现。具体建造者可能生成不遵循通用接口的产品。
产品是最终的对象。由不同建造者构造的产品不必属于同一类层次结构或接口。
指挥者类定义了调用构造步骤的顺序，因此您可以创建和重用特定配置的产品。
客户端必须将其中一个建造者对象与指挥者关联。通常，这只需要一次，通过指挥者构造函数的参数来完成。然后，指挥者将使用该建造者对象进行所有进一步的构造。然而，还有一种替代方法，即客户端将建造者对象传递给指挥者的生产方法。在这种情况下，您可以每次使用不同的建造者与指挥者一起生产东西。

Builder模式在Python 文化中是根深蒂固

Builder 模式在 Python 中非常流行，因为它可以让客户端代码保持简单和流畅，甚至在指导创建复杂的对象层次结构时也是如此。

Python 中的一个经典示例是matplotlib库的 pyplot界面。它允许调用者仅用一行代码构建一个简单的绘图，并仅用一行代码将图表保存到磁盘：

import numpy as np
x = np.arange(-6.2, 6.2, 0.1)


import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(x, np.sin(x))
plt.savefig('sine.png')

pyplot 接口对调用者隐藏的是，即使是这个简单的绘图，也必须为 matplotlib 创建十多个对象。上面的调用在幕后生成的八个对象plot().

一个朴素的示例

class Building:
    def __init__(self) -> None:
        self.build_floor()
        self.build_size()


    def build_floor(self):
        raise NotImplementedError


    def build_size(self):
        raise NotImplementedError


    def __repr__(self) -> str:
        return "Floor: {0.floor} | Size: {0.size}".format(self)


# Concrete Buildings
class House(Building):
    def build_floor(self) -> None:
        self.floor = "One"


    def build_size(self) -> None:
        self.size = "Big"




class Flat(Building):
    def build_floor(self) -> None:
        self.floor = "More than One"


    def build_size(self) -> None:
        self.size = "Small"


house = House()
print(house)




flat = Flat()
print(flat)

以上代码是使用 Builder 模式的一个简单示例。在这个示例中，有一个基类 Building，它定义了构建建筑物的基本流程，并包含两个抽象方法 build_floor 和 build_size，用于构建楼层和大小。这些方法在基类中被声明为抽象，意味着具体的子类必须实现它们。然后有两个具体的建筑类：House 和 Flat，它们分别继承自 Building 基类。

建造者模式是创建型设计模式，逐步构建复杂对象，允许统一构造代码生成不同类型和表示形式的对象。通过建造者接口、具体建造者、指挥者等角色，简化了对象构造过程。在Python中最为常见，根深蒂固python文化中。

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