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C++ 建造者模式：复杂对象的“定制化分步构建”指南

news 2025/11/14 7:30:37

在 C++ 开发中，我们经常会遇到需要创建复杂对象的场景——这类对象由多个部件组成，且部件的组合方式、配置细节可能多种多样。例如：

  • 定制化电脑（CPU、主板、内存、硬盘等部件的不同组合）；
  • 复杂文档（包含标题、正文、图片、表格等元素，排版风格各异）；
  • 网络请求对象（需要设置 URL、请求头、请求体、超时时间等参数）。

如果直接通过构造函数创建这类对象，会导致构造函数参数爆炸、代码可读性差、不同配置的创建逻辑混乱。而建造者模式，正是为解决“复杂对象的灵活构建”问题而生的核心设计模式。

一、理论基础：建造者模式到底是什么？

1.1 核心定义

建造者模式（Builder Pattern）是创建型设计模式的一种，其核心思想是：将一个复杂对象的构建过程与它的表示分离，使得同一个构建过程可以创建不同的表示。

简单来说：

  • 复杂对象的“构建步骤”（如组装电脑的“装CPU→装主板→装内存”）被抽离到独立的“建造者”中；
  • 不同的“具体建造者”负责实现不同的“部件配置”（如游戏本建造者用高性能CPU，办公本建造者用节能CPU）；
  • 由“指挥者”统一协调建造步骤的执行顺序，客户端只需指定“建造者”，即可获得定制化的复杂对象。

1.2 四大核心角色（C++ 视角）

建造者模式的结构由 4 个关键角色构成，每个角色各司其职：

角色定义（C++ 实现）示例对应
产品（Product）复杂对象本身，由多个部件组成，提供展示自身结构的方法。Computer 类（包含 CPU、主板等部件）
抽象建造者（Builder）纯虚类，定义构建复杂对象所需的所有步骤接口（如“装CPU”“装主板”），但不实现具体逻辑。IComputerBuilder 类（声明 buildCPU() 等方法）
具体建造者（ConcreteBuilder）继承抽象建造者，实现每个构建步骤的具体逻辑，负责组装特定配置的部件。GamingComputerBuilder（高性能配置）、OfficeComputerBuilder（节能配置）
指挥者（Director）类，负责安排构建步骤的执行顺序（如先装主板→再装CPU→再装内存），调用建造者完成构建。ComputerDirector 类（调用建造者的步骤方法）

1.3 解决的核心问题

对比“直接用构造函数创建复杂对象”，建造者模式的核心价值在于：

  1. 解决参数爆炸问题：无需在构造函数中传递大量参数，而是通过多个分步方法配置部件；
  2. 实现定制化构建：不同的具体建造者对应不同的产品配置，客户端可灵活切换；
  3. 分离构建与表示：建造者负责“如何组装部件”，产品负责“展示自身结构”，指挥者负责“按顺序执行”，职责清晰；
  4. 控制构建过程：指挥者统一管理构建步骤的顺序，避免客户端因步骤错误导致对象构建失败。

1.4 与“工厂模式”的核心差异

很多人会混淆建造者模式与工厂模式，关键区别在于**“创建对象的方式”和“关注重点”**：

对比维度建造者模式工厂模式（工厂方法/抽象工厂）
核心目标复杂对象的分步构建+定制化配置产品（简单/复杂）的整体创建
关注重点构建过程（步骤顺序、部件配置）构建结果（返回具体产品）
角色分工建造者（步骤实现）+ 指挥者（顺序）工厂（直接创建产品）
适用场景产品由多个部件组成，需灵活配置产品类型固定，无需关注构建过程

例如：

  • 用工厂模式创建电脑：直接返回“游戏本”或“办公本”成品，无需关心内部部件如何组装；
  • 用建造者模式创建电脑：可以定制 CPU 型号、内存大小、硬盘类型等，且组装步骤由指挥者统一控制。

二、工程结构：C++ 项目如何组织建造者代码？

C++ 项目注重“模块化”和“接口与实现分离”，建造者模式的代码组织需突出“步骤分离”和“配置灵活”。以下以“定制化电脑组装”为例，设计标准工程结构：

2.1 场景说明

需支持两种电脑配置：

  • 游戏本：高性能 CPU（Intel i9）、大内存（32GB）、高端显卡（NVIDIA RTX 4090）、高速固态硬盘（2TB）；
  • 办公本：节能 CPU（Intel i5）、中等内存（16GB）、集成显卡、普通固态硬盘（512GB）。

2.2 目录结构设计

computer_builder_project/
├── include/                  # 头文件目录（对外暴露接口）
│   ├── product/              # 产品相关接口
│   │   └── Computer.h        # 复杂产品：电脑类
│   ├── builder/              # 建造者相关接口
│   │   ├── IComputerBuilder.h # 抽象建造者：电脑建造者接口
│   │   ├── GamingComputerBuilder.h # 具体建造者：游戏本建造者
│   │   └── OfficeComputerBuilder.h # 具体建造者：办公本建造者
│   └── director/             # 指挥者相关接口
│       └── ComputerDirector.h # 指挥者：电脑组装指挥者
├── src/                      # 源文件目录（实现细节）
│   ├── product/
│   │   └── Computer.cpp      # 电脑类实现
│   ├── builder/
│   │   ├── GamingComputerBuilder.cpp
│   │   └── OfficeComputerBuilder.cpp
│   └── director/
│       └── ComputerDirector.cpp
├── CMakeLists.txt            # 构建配置
└── main.cpp                  # 客户端调用示例

2.3 命名规范与构建配置

  • 命名规范：
    • 产品类直接命名（如 Computer）；
    • 抽象建造者以 I 为前缀（如 IComputerBuilder）；
    • 具体建造者以“配置+Builder”命名（如 GamingComputerBuilder）；
    • 指挥者以“产品+Director”命名（如 ComputerDirector）。
  • CMake 配置示例：
# 收集源文件
file(GLOB PRODUCT_SRC src/product/*.cpp)
file(GLOB BUILDER_SRC src/builder/*.cpp)
file(GLOB DIRECTOR_SRC src/director/*.cpp)# 生成静态库
add_library(computer_lib STATIC ${PRODUCT_SRC} ${BUILDER_SRC} ${DIRECTOR_SRC})
target_include_directories(computer_lib PUBLIC include)# 编译可执行文件
add_executable(computer_demo main.cpp)
target_link_libraries(computer_demo computer_lib)

三、代码实现：手把手落地定制化电脑组装

以下基于上述工程结构，完整实现建造者模式，重点体现“分步构建”和“定制化配置”：

3.1 步骤 1：定义复杂产品（Computer.h/.cpp）

产品是复杂对象，包含多个部件，提供展示自身配置的方法：

// include/product/Computer.h
#ifndef COMPUTER_H
#define COMPUTER_H#include <string>
#include <iostream>// 复杂产品：电脑类（包含多个部件）
class Computer {
private:std::string cpu;        // CPUstd::string motherboard;// 主板std::string memory;     // 内存std::string hardDisk;   // 硬盘std::string graphicsCard;// 显卡public:// 设置部件（由建造者调用）void setCPU(const std::string& cpu) { this->cpu = cpu; }void setMotherboard(const std::string& motherboard) { this->motherboard = motherboard; }void setMemory(const std::string& memory) { this->memory = memory; }void setHardDisk(const std::string& hardDisk) { this->hardDisk = hardDisk; }void setGraphicsCard(const std::string& graphicsCard) { this->graphicsCard = graphicsCard; }// 展示电脑配置（产品的“表示”方法）void showConfig() const {std::cout << "电脑配置如下：" << std::endl;std::cout << "CPU：" << cpu << std::endl;std::cout << "主板：" << motherboard << std::endl;std::cout << "内存：" << memory << std::endl;std::cout << "硬盘：" << hardDisk << std::endl;std::cout << "显卡：" << graphicsCard << std::endl;}
};#endif // COMPUTER_H// src/product/Computer.cpp
#include "product/Computer.h"
// 无额外实现，仅需包含头文件（成员函数已在头文件中实现）

3.2 步骤 2：定义抽象建造者（IComputerBuilder.h）

抽象建造者声明所有构建步骤的接口，确保具体建造者遵循统一规范：

// include/builder/IComputerBuilder.h
#ifndef I_COMPUTER_BUILDER_H
#define I_COMPUTER_BUILDER_H#include "product/Computer.h"
#include <memory>// 抽象建造者：电脑建造者接口（定义所有构建步骤）
class IComputerBuilder {
public:virtual ~IComputerBuilder() = default;// 构建步骤：纯虚方法，由具体建造者实现virtual void buildCPU() = 0;virtual void buildMotherboard() = 0;virtual void buildMemory() = 0;virtual void buildHardDisk() = 0;virtual void buildGraphicsCard() = 0;// 返回构建完成的电脑（产品）virtual std::unique_ptr<Computer> getComputer() = 0;protected:// 持有产品实例（由具体建造者初始化）std::unique_ptr<Computer> computer;
};#endif // I_COMPUTER_BUILDER_H

3.3 步骤 3：实现具体建造者（游戏本/办公本）

具体建造者实现抽象建造者的步骤接口，配置对应部件：

（1）游戏本建造者
// include/builder/GamingComputerBuilder.h
#ifndef GAMING_COMPUTER_BUILDER_H
#define GAMING_COMPUTER_BUILDER_H#include "builder/IComputerBuilder.h"// 具体建造者：游戏本建造者（高性能配置）
class GamingComputerBuilder : public IComputerBuilder {
public:GamingComputerBuilder() {// 初始化产品实例computer = std::make_unique<Computer>();}void buildCPU() override;void buildMotherboard() override;void buildMemory() override;void buildHardDisk() override;void buildGraphicsCard() override;std::unique_ptr<Computer> getComputer() override {// 返回产品所有权（移动语义）return std::move(computer);}
};#endif // GAMING_COMPUTER_BUILDER_H// src/builder/GamingComputerBuilder.cpp
#include "builder/GamingComputerBuilder.h"void GamingComputerBuilder::buildCPU() {computer->setCPU("Intel Core i9-13900K");
}void GamingComputerBuilder::buildMotherboard() {computer->setMotherboard("ASUS ROG Maximus Z790 Hero");
}void GamingComputerBuilder::buildMemory() {computer->setMemory("32GB DDR5 6000MHz");
}void GamingComputerBuilder::buildHardDisk() {computer->setHardDisk("2TB NVMe SSD");
}void GamingComputerBuilder::buildGraphicsCard() {computer->setGraphicsCard("NVIDIA GeForce RTX 4090");
}
（2）办公本建造者
// include/builder/OfficeComputerBuilder.h
#ifndef OFFICE_COMPUTER_BUILDER_H
#define OFFICE_COMPUTER_BUILDER_H#include "builder/IComputerBuilder.h"// 具体建造者：办公本建造者（节能配置）
class OfficeComputerBuilder : public IComputerBuilder {
public:OfficeComputerBuilder() {computer = std::make_unique<Computer>();}void buildCPU() override;void buildMotherboard() override;void buildMemory() override;void buildHardDisk() override;void buildGraphicsCard() override;std::unique_ptr<Computer> getComputer() override {return std::move(computer);}
};#endif // OFFICE_COMPUTER_BUILDER_H// src/builder/OfficeComputerBuilder.cpp
#include "builder/OfficeComputerBuilder.h"void OfficeComputerBuilder::buildCPU() {computer->setCPU("Intel Core i5-13400");
}void OfficeComputerBuilder::buildMotherboard() {computer->setMotherboard("MSI B760M-A Pro");
}void OfficeComputerBuilder::buildMemory() {computer->setMemory("16GB DDR5 4800MHz");
}void OfficeComputerBuilder::buildHardDisk() {computer->setHardDisk("512GB NVMe SSD");
}void OfficeComputerBuilder::buildGraphicsCard() {computer->setGraphicsCard("Intel UHD Graphics 730（集成）");
}

3.4 步骤 4：实现指挥者（ComputerDirector.h/.cpp）

指挥者负责安排构建步骤的执行顺序，调用建造者完成组装：

// include/director/ComputerDirector.h
#ifndef COMPUTER_DIRECTOR_H
#define COMPUTER_DIRECTOR_H#include "builder/IComputerBuilder.h"// 指挥者：电脑组装指挥者（控制构建顺序）
class ComputerDirector {
public:// 构造函数接收抽象建造者（依赖注入）explicit ComputerDirector(IComputerBuilder& builder) : builder(builder) {}// 组装电脑：按固定顺序调用建造步骤void assembleComputer() {builder.buildMotherboard(); // 先装主板（基础部件）builder.buildCPU();         // 再装CPUbuilder.buildMemory();      // 再装内存builder.buildHardDisk();    // 再装硬盘builder.buildGraphicsCard();// 最后装显卡}private:IComputerBuilder& builder; // 引用抽象建造者，支持不同具体建造者
};#endif // COMPUTER_DIRECTOR_H// src/director/ComputerDirector.cpp
#include "director/ComputerDirector.h"
// 无额外实现，仅需包含头文件

3.5 步骤 5：客户端调用（main.cpp）

客户端只需选择具体建造者，通过指挥者完成构建，无需关心步骤细节：

#include "builder/GamingComputerBuilder.h"
#include "builder/OfficeComputerBuilder.h"
#include "director/ComputerDirector.h"
#include <iostream>int main() {// 场景1：组装游戏本std::cout << "=== 组装游戏本 ===" << std::endl;GamingComputerBuilder gamingBuilder; // 具体建造者ComputerDirector gamingDirector(gamingBuilder); // 指挥者绑定建造者gamingDirector.assembleComputer(); // 开始组装auto gamingComputer = gamingBuilder.getComputer(); // 获取产品gamingComputer->showConfig(); // 展示配置std::cout << "\n=== 组装办公本 ===" << std::endl;// 场景2：组装办公本（仅需更换具体建造者）OfficeComputerBuilder officeBuilder;ComputerDirector officeDirector(officeBuilder);officeDirector.assembleComputer();auto officeComputer = officeBuilder.getComputer();officeComputer->showConfig();return 0;
}

3.6 运行结果

=== 组装游戏本 ===
电脑配置如下：
CPU：Intel Core i9-13900K
主板：ASUS ROG Maximus Z790 Hero
内存：32GB DDR5 6000MHz
硬盘：2TB NVMe SSD
显卡：NVIDIA GeForce RTX 4090=== 组装办公本 ===
电脑配置如下：
CPU：Intel Core i5-13400
主板：MSI B760M-A Pro
内存：16GB DDR5 4800MHz
硬盘：512GB NVMe SSD
显卡：Intel UHD Graphics 730（集成）

3.7 C++ 特有注意事项

  1. 内存管理：使用 std::unique_ptr 管理产品和建造者的生命周期，避免内存泄漏；
  2. 移动语义：具体建造者的 getComputer() 方法通过 std::move 转移产品所有权，避免拷贝；
  3. 依赖注入：指挥者通过构造函数接收抽象建造者引用，支持不同具体建造者的灵活切换；
  4. 虚析构函数：抽象建造者的析构函数必须为 virtual，确保具体建造者的析构逻辑被正确调用。

四、应用场景：C++ 开发中何时该用建造者模式？

建造者模式的核心是“复杂对象的分步构建+定制化”，以下是 C++ 中最适合的应用场景：

4.1 复杂对象的定制化创建

当对象由多个部件组成，且需要支持多种配置时：

  • 示例：定制化汽车（发动机、底盘、内饰、电子系统的不同组合）、复杂配置文件（包含多个节、键值对，支持不同格式）。

4.2 构建过程需要严格控制顺序

当对象的构建步骤有依赖关系（如先装主板再装 CPU），需要统一协调时：

  • 示例：数据库连接池的创建（初始化连接数→设置超时时间→注册驱动→测试连接）、消息队列的初始化（设置队列大小→绑定端口→启动消费者线程）。

4.3 避免构造函数参数爆炸

当对象的可选参数过多（超过 3 个），直接用构造函数会导致代码可读性差时：

  • 示例：网络请求对象（URL、请求头、请求体、超时时间、代理、SSL 配置等），用建造者模式可分步骤设置参数。

4.4 同一构建过程生成不同表示

当需要通过相同的构建步骤生成不同“风格”的对象时：

  • 示例：文档生成器（同一套步骤“添加标题→添加正文→添加图片”，可生成 PDF 文档、Word 文档、HTML 文档）。

4.5 禁忌场景：不要过度使用

  • 简单对象：对象仅包含少数几个属性，直接用构造函数或 setter 方法即可，无需引入建造者模式；
  • 构建步骤无依赖：若对象的部件可随意组合，无需固定顺序，用工厂模式更简洁；
  • 产品配置固定：若产品的所有配置都是固定的，无需定制化，直接用单例模式或静态工厂即可。

五、总结：建造者模式的核心价值

建造者模式的本质，是将复杂对象的“构建过程”与“产品表示”分离，通过“建造者”定制部件，“指挥者”控制顺序，实现灵活、可扩展的对象创建。在 C++ 开发中，它能带来三大核心收益：

  1. 灵活性：支持同一构建过程生成不同配置的产品，客户端只需切换建造者即可；
  2. 可读性：分步构建代替冗长的构造函数参数，代码更清晰易懂；
  3. 可维护性：建造者、指挥者、产品职责分离，后续修改构建步骤或添加新配置时，只需扩展具体建造者，无需修改现有逻辑。

与工厂模式相比，建造者模式更适合“复杂对象的定制化构建”，而工厂模式更适合“简单对象的批量创建”。选择时的核心判断标准是：是否需要关注对象的构建过程？是否需要灵活定制对象的部件配置？

实践建议：从身边的复杂对象入手（如定制化日志对象、网络请求对象），用建造者模式实现，感受“分步构建”的便捷性；同时注意避免过度设计——若对象简单，优先选择更轻量的方案。

学习资源：

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