设计模式实战系列之@Builder和建造者模式

前言

备受争议的Lombok，有的人喜欢它让代码更整洁，有的人不喜欢它，巴拉巴拉一堆原因。在我看来Lombok唯一的缺点可能就是需要安装插件了，但是对于业务开发的项目来说，它的优点远远超过缺点。

我们可以看一下，有多少项目使用了Lombok（数量还在疯涨中...）

尽管如此，我们今天也只是单纯的来看一下@Builder()这个东西

@Builder的使用

使用@Builder修饰类

@Data
@Builder
public class UserDO {

    private Long id;

    private String name;
}

使用建造者模式创建类

@Test
public void test() {
    UserDO userDO = UserDO.builder()
            .id(1L)
            .name("iisheng")
            .build();
    System.out.println(userDO);
}

编译后源码

执行javac -cp ~/lombok.jar UserDO.java -verbose将.java编译成.class文件。

通过IDE查看该.class源码

下面展示的是被我处理后的源码，感兴趣的同学，可以自己执行上面命令，查看完整源码

public class UserDO {
    private Long id;
    private String name;

    public String toString() {
        return "UserDO(id="
            + this.getId() + ", name=" + this.getName() + ")";
    }

    UserDO(Long var1, String var2) {
        this.id = var1;
        this.name = var2;
    }

    public static UserDO.UserDOBuilder builder() {
        return new UserDO.UserDOBuilder();
    }

    private UserDO() {
    }

    public static class UserDOBuilder {
        private Long id;
        private String name;

        UserDOBuilder() {
        }

        public UserDO.UserDOBuilder id(Long var1) {
            this.id = var1;
            return this;
        }

        public UserDO.UserDOBuilder name(String var1) {
            this.name = var1;
            return this;
        }

        public UserDO build() {
            return new UserDO(this.id, this.name);
        }
    }
}

由此，我们可以看出来Builder的实现步骤：

• 在UserDO中创建静态UserDOBuilder
• 编写设置属性方法，返回UserDOBuilder对象
• 编写build()方法，返回UserDO对象

是不是很简单？我曾经看过不知道哪个大佬说的一句话，整洁的代码不是说，行数更少，字数更少，而是阅读起来逻辑更清晰。所以，我觉得，哪怕我们不用@Builder，也应该多用这种建造者模式。

是时候看看什么是建造者模式了！

建造者模式

UML类图

这是大部分书籍网络中的建造者模式类图

产品类

public class Product {

    private String name;

    private Integer val;

    Product(String name, Integer val) {
        this.name = name;
        this.val = val;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Product is " + name + " value is " + val;
    }
}

抽象建造者

public abstract class Builder {

    protected Integer val;

    protected String name;

    // 设置产品不同部分，以获得不同的产品
    public abstract void setVal(Integer val);

    // 设置名字 公用方法
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    // 建造产品
    public abstract Product buildProduct();
}

具体建造者

public class ConcreteBuilder extends Builder {

    @Override
    public void setVal(Integer val) {
        /**
         * 产品类内部的逻辑
         * 实际存储的值是 val + 100
         */
        this.val = val + 100;
    }

    @Override
    // 组建一个产品
    public Product buildProduct() {
        // 这块还可以写特殊的校验逻辑
        return new Product(name, val);
    }
}

导演类

public class Director {

    private Builder builder = new ConcreteBuilder();

    public Product getAProduct() {
        // 设置不同的零件，产生不同的产品
        builder.setName("ProductA");
        builder.setVal(2);
        return builder.buildProduct();
    }
}

我更喜欢这样的建造者模式类图

Product的创建，也依赖于Builder。代码只需要将上面的Product和ConcreteBuilder调整一下即可。

调整后的产品类

public class Product {

    private String name;

    private Integer val;

    Product(Builder builder) {
        this.name = builder.name;
        this.val = builder.val;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Product is " + name + " value is " + val;
    }
}

这代码只是将构造方法改了，使用Builder来创建Product对象。

调整后的具体建造者

public class ConcreteBuilder extends Builder {

    @Override
    public void setVal(Integer val) {
        /**
         * 产品类内部的逻辑
         * 实际存储的值是 val + 100
         */
        this.val = val + 100;
    }

    @Override
    // 组建一个产品
    public Product buildProduct() {
        // 这块还可以写特殊的校验逻辑
        return new Product(this);
    }
}

相应的使用带Builder的Product的构造方法。

JDK中的建造者模式

StringBuilder (截取部分源码)

抽象建造者

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {

    /**
     * The value is used for character storage.
     */
    char[] value;

    /**
     * The count is the number of characters used.
     */
    int count;

    public AbstractStringBuilder append(String str) {
        if (str == null)
            return appendNull();
        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        str.getChars(0, len, value, count);
        count += len;
        return this;
    }

    // Documentation in subclasses because of synchro difference
    @Override
    public AbstractStringBuilder append(CharSequence s) {
        if (s == null)
            return appendNull();
        if (s instanceof String)
            return this.append((String)s);
        if (s instanceof AbstractStringBuilder)
            return this.append((AbstractStringBuilder)s);

        return this.append(s, 0, s.length());
    }

    public AbstractStringBuilder delete(int start, int end) {
        if (start < 0)
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(start);
        if (end > count)
            end = count;
        if (start > end)
            throw new StringIndexOutOfBoundsException();
        int len = end - start;
        if (len > 0) {
            System.arraycopy(value, start+len, value, start, count-end);
            count -= len;
        }
        return this;
    }
}

具体建造者

public final class StringBuilder
    extends AbstractStringBuilder
    implements java.io.Serializable, CharSequence
{
    @Override
    public StringBuilder append(String str) {
        super.append(str);
        return this;
    }

    @Override
    public StringBuilder append(CharSequence s) {
        super.append(s);
        return this;
    }

    /**
     * @throws StringIndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    @Override
    public StringBuilder delete(int start, int end) {
        super.delete(start, end);
        return this;
    }
}

StringBuilder中的建造者模式比较简单，但是我的确没找到StringBuilder非要用建造者模式的原因，或许就是想让我们写下面这样的代码？

public static void main(String[] args) {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    sb.append("Love ")
      .append("iisheng !")
      .insert(0, "I ");

    System.out.println(sb);
}

但是我希望你能通过StringBuilder，感受一下建造者模式的气息

Guava Cache中的建造者模式

如何使用 Guava Cache？

public static void main(String[] args) {

    LoadingCache<String, Integer> cache = CacheBuilder.newBuilder()
            // 最多存放十个数据
            .maximumSize(10)
            // 缓存10秒
            .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
            .build(new CacheLoader<String, Integer>() {
                // 默认返回-1，也可以是查询操作，如从DB查询
                @Override
                public Integer load(String key) throws Exception {
                    return -1;
                }
            });

    // 只查询缓存，没有命中，即返回 null
    System.out.println(cache.getIfPresent("key1"));
    // put数据，放在缓存中
    cache.put("key1", 1);
    // 再次查询，已经存在缓存中
    System.out.println(cache.getIfPresent("key1"));

    //查询缓存，未命中，调用load方法，返回 -1
    try {
        System.out.println(cache.get("key2"));
    } catch (ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }

}

下面是截取建造者模式相关的部分代码

产品接口

@DoNotMock("Use CacheBuilder.newBuilder().build()")
@GwtCompatible
public interface Cache<K, V> {

  @Nullable
  V getIfPresent(@CompatibleWith("K") Object key);

  V get(K key, Callable<? extends V> loader) throws ExecutionException;

  void put(K key, V value);

  long size();

  ConcurrentMap<K, V> asMap();

  void cleanUp();
}

另一个产品接口

@GwtCompatible
public interface LoadingCache<K, V> extends Cache<K, V>, Function<K, V> {

  V get(K key) throws ExecutionException;

  V getUnchecked(K key);

  void refresh(K key);

  @Deprecated
  @Override
  V apply(K key);

  @Override
  ConcurrentMap<K, V> asMap();
}

产品实现类

static class LocalManualCache<K, V> implements Cache<K, V>, Serializable {

    final LocalCache<K, V> localCache;

    LocalManualCache(CacheBuilder<? super K, ? super V> builder) {
      this(new LocalCache<K, V>(builder, null));
    }

    private LocalManualCache(LocalCache<K, V> localCache) {
      this.localCache = localCache;
    }

    // Cache methods

    @Override
    public @Nullable V getIfPresent(Object key) {
      return localCache.getIfPresent(key);
    }

    @Override
    public V get(K key, final Callable<? extends V> valueLoader) throws ExecutionException {
      checkNotNull(valueLoader);
      return localCache.get(
          key,
          new CacheLoader<Object, V>() {
            @Override
            public V load(Object key) throws Exception {
              return valueLoader.call();
            }
          });
    }

    @Override
    public void put(K key, V value) {
      localCache.put(key, value);
    }

    @Override
    public long size() {
      return localCache.longSize();
    }

    @Override
    public ConcurrentMap<K, V> asMap() {
      return localCache;
    }

    @Override
    public void cleanUp() {
      localCache.cleanUp();
    }

    // Serialization Support

    private static final long serialVersionUID = 1;

    Object writeReplace() {
      return new ManualSerializationProxy<>(localCache);
    }
}

另一个产品实现类

static class LocalLoadingCache<K, V> extends LocalManualCache<K, V>
        implements LoadingCache<K, V> {

    LocalLoadingCache(
        CacheBuilder<? super K, ? super V> builder, CacheLoader<? super K, V> loader) {
      super(new LocalCache<K, V>(builder, checkNotNull(loader)));
    }

    // LoadingCache methods
    @Override
    public V get(K key) throws ExecutionException {
      return localCache.getOrLoad(key);
    }

    @Override
    public V getUnchecked(K key) {
      try {
        return get(key);
      } catch (ExecutionException e) {
        throw new UncheckedExecutionException(e.getCause());
      }
    }

    @Override
    public void refresh(K key) {
      localCache.refresh(key);
    }

    @Override
    public final V apply(K key) {
      return getUnchecked(key);
    }

    // Serialization Support
    private static final long serialVersionUID = 1;

    @Override
    Object writeReplace() {
      return new LoadingSerializationProxy<>(localCache);
    }
}

实际产品实现类LocalCache

上面两个产品类实际上，内部使用的是LocalCache来存储数据。我们再看下LocalCache的实现。

LocalCache继承AbstractCache，我们先看AbstractCache：

@GwtCompatible
public abstract class AbstractCache<K, V> implements Cache<K, V> {

  /** Constructor for use by subclasses. */
  protected AbstractCache() {}

  @Override
  public V get(K key, Callable<? extends V> valueLoader) throws ExecutionException {
    throw new UnsupportedOperationException();
  }

  @Override
  public void put(K key, V value) {
    throw new UnsupportedOperationException();
  }

  @Override
  public void cleanUp() {}

  @Override
  public long size() {
    throw new UnsupportedOperationException();
  }

  @Override
  public ConcurrentMap<K, V> asMap() {
    throw new UnsupportedOperationException();
  }

}

再来看，LocalCache：

@GwtCompatible(emulated = true)
class LocalCache<K, V> extends AbstractMap<K, V> implements ConcurrentMap<K, V> {

  /** How long after the last write to an entry the map will retain that entry. */
  final long expireAfterWriteNanos;

  /** The default cache loader to use on loading operations. */
  final @Nullable CacheLoader<? super K, V> defaultLoader;

  /**
   * Creates a new, empty map with the specified strategy, initial capacity and concurrency level.
   */
  LocalCache(
      CacheBuilder<? super K, ? super V> builder, @Nullable CacheLoader<? super K, V> loader) {
    concurrencyLevel = Math.min(builder.getConcurrencyLevel(), MAX_SEGMENTS);

    maxWeight = builder.getMaximumWeight();
    weigher = builder.getWeigher();
    expireAfterAccessNanos = builder.getExpireAfterAccessNanos();
    expireAfterWriteNanos = builder.getExpireAfterWriteNanos();
    refreshNanos = builder.getRefreshNanos();

    defaultLoader = loader;

    int initialCapacity = Math.min(builder.getInitialCapacity(), MAXIMUM_CAPACITY);
    if (evictsBySize() && !customWeigher()) {
      initialCapacity = (int) Math.min(initialCapacity, maxWeight);
    }

    // Find the lowest power-of-two segmentCount that exceeds concurrencyLevel, unless
    // maximumSize/Weight is specified in which case ensure that each segment gets at least 10
    // entries. The special casing for size-based eviction is only necessary because that eviction
    // happens per segment instead of globally, so too many segments compared to the maximum size
    // will result in random eviction behavior.
    int segmentShift = 0;
    int segmentCount = 1;
    while (segmentCount < concurrencyLevel && (!evictsBySize() || segmentCount * 20 <= maxWeight)) {
      ++segmentShift;
      segmentCount <<= 1;
    }
    this.segmentShift = 32 - segmentShift;
    segmentMask = segmentCount - 1;

    this.segments = newSegmentArray(segmentCount);
  }
}

建造者

@GwtCompatible(emulated = true)
public final class CacheBuilder<K, V> {

  long maximumSize = UNSET_INT;

  long expireAfterWriteNanos = UNSET_INT;

  Supplier<? extends StatsCounter> statsCounterSupplier = NULL_STATS_COUNTER;

  public CacheBuilder<K, V> maximumSize(long maximumSize) {
    checkState(
        this.maximumSize == UNSET_INT, "maximum size was already set to %s", this.maximumSize);
    checkState(
        this.maximumWeight == UNSET_INT,
        "maximum weight was already set to %s",
        this.maximumWeight);
    checkState(this.weigher == null, "maximum size can not be combined with weigher");
    checkArgument(maximumSize >= 0, "maximum size must not be negative");
    this.maximumSize = maximumSize;
    return this;
  }

  public CacheBuilder<K, V> expireAfterWrite(long duration, TimeUnit unit) {
    checkState(
        expireAfterWriteNanos == UNSET_INT,
        "expireAfterWrite was already set to %s ns",
        expireAfterWriteNanos);
    checkArgument(duration >= 0, "duration cannot be negative: %s %s", duration, unit);
    this.expireAfterWriteNanos = unit.toNanos(duration);
    return this;
  }

  public CacheBuilder<K, V> recordStats() {
    statsCounterSupplier = CACHE_STATS_COUNTER;
    return this;
  }

  public <K1 extends K, V1 extends V> Cache<K1, V1> build() {
    checkWeightWithWeigher();
    checkNonLoadingCache();
    return new LocalCache.LocalManualCache<>(this);
  }

  public <K1 extends K, V1 extends V> LoadingCache<K1, V1> build(
      CacheLoader<? super K1, V1> loader) {
    checkWeightWithWeigher();
    return new LocalCache.LocalLoadingCache<>(this, loader);
  }

}

Guava Cache的代码还是蛮复杂的，来一张UML图，便于理解

• LoadingCache接口继承了Cache接口，两个接口都定义了缓存的基本方法
• CacheLoader是LocalCache的成员变量
• LocalCache继承AbstractMap，是真正意义上的产品类
• LocalManualCache是CacheBuilder的build()方法产生的对象的类，LocalManualCache因为有LocalCache作为成员变量，使得它成为了产品类，LocalManualCache实现了Cache接口
• LocalLoadingCache继承了LocalManualCache，是CacheBuilder的build(CacheLoader<? super K1, V1> loader)方法产生的对象的类，LocalLoadingCache实现了LoadingCache接口

总结

什么时候适合使用建造者模式？

创建对象参数过多的时候

创建一个有很多属性的对象，如果参数在构造方法中写，看起来很乱，一长串不说，还很容易写错。

对象的部分属性是可选择的时候

创建的对象有很多属性是可选择的那种，常见的比如配置类等，不同使用者有不同的配置。

对象创建完成后，就不能修改内部属性的时候

不提供set()方法，使用建造者模式一次性把对象创建完成。

建造者模式和工厂模式的区别是什么？

• 建造者模式，通过设置不同的可选参数，“定制化”的创建不同的对象
• 工厂模式，是直接创建不同但是相关类型的对象（继承同一父类或者接口的一组子类）

最后想说的

由@Builder想到的建造者模式，然后看了StringBuilder以及Guava Cache的源码，其中还是有很多值得我们学习的地方。

建造者模式，可能不同的人有不同的理解，不同的实现有不同的方法，但是我们只有深刻的理解了其中的设计思想，才不至于在项目中生搬硬套，才能灵活运用。

<sub>参考文献：


[1]:《设计模式之禅》


[2]:《Effective Java中文版》


[3]:《设计模式之美 建造者模式》</sub>

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