Название и классификация паттерна. Строитель - паттерн, порождающий объекты
Строитель - паттерн, порождающий объекты.
Класс каждого конвертора принимает механизм создания и сборки сложного объекта и скрывает его за абстрактным интерфейсом. Конвертор отделен от загрузчика, который отвечает за синтаксический разбор RTF-документа.
В паттерне строитель абстрагированы все эти отношения. В нем любой класс конвертора называется строителем, а загрузчик - распорядителем. В применении к рассмотренному примеру строитель отделяет алгоритм интерпретации формата текста (то есть анализатор RTF-документов) от того, как создается и представляется документ в преобразованном формате. Это позволяет повторно использовать алгоритм разбора, реализованный в RTFReader, для создания разных текстовых представлений RTF-документов; достаточно передать в RTFReader различные подклассы класса Text Converter.
Применимость
Используйте паттерн строитель, когда:
-алгоритм создания сложного объекта не должен зависеть от того, из каких частей состоит объект и как они стыкуются между собой;
-процесс конструирования должен обеспечивать различные представления конструируемого объекта.
Структура
Участники
-Builder(TextConverter) - строитель:
- задает абстрактный интерфейс для создания частей объекта Product;
a ConcreteBuilder(ASCIIConverter,TeXConverter,TextWidgetConverter)-
конкретный строитель:
- конструирует и собирает вместе части продукта посредством реализации интерфейса Builder;
- определяет создаваемое представление и следит за ним;
- предоставляет интерфейс для доступа к продукту (например, GetASCI IText, GetTextWidget);
- irector(RTFReader) - распорядитель:
- конструирует объект, пользуясь интерфейсом Builder;
- roduct(ASCIIText, TeXText, TextWidget) - продукт:
- представляет сложный конструируемый объект. ConcreteBuilder
строит внутреннее представление продукта и определяет процесс его
сборки;
- включает классы, которые определяют составные части, в том числе интерфейсы для сборки конечного результата из частей.
Отношения
-клиент создает объект-распорядитель Director и конфигурирует его нужным объектом-строителем Builder;
-распорядитель уведомляет строителя о том, что нужно построить очередную часть продукта;
-строитель обрабатывает запросы распорядителя и добавляет новые части к продукту;
-клиент забирает продукт у строителя.
Далее диаграмма взаимодействий иллюстрирует взаимоотношения строителя и распорядителя с клиентом.
Результаты
Плюсы и минусы паттерна строитель и его применения:
- позволяет изменять внутреннее представление продукта. Объект Builder предоставляет распорядителю абстрактный интерфейс для конструирования продукта, за которым он может скрыть представление и внутреннюю структуру продукта, а также процесс его сборки. Поскольку продукт конструируется через абстрактный интерфейс, то для изменения внутреннего представления достаточно всего лишь определить новый вид строителя;
- изолирует код, реализующий конструирование и представление. Паттерн строитель улучшает модульность, инкапсулируя способ конструирования и представления сложного объекта. Клиентам ничего не надо знать о классах, определяющих внутреннюю структуру продукта, они отсутствуют в интерфейсе строителя.
Каждый конкретный строитель ConcreteBuilder содержит весь код, не-
обходимый для создания и сборки конкретного вида продукта. Код пишется только один раз, после чего разные распорядители могут использовать его повторно для построения вариантов продукта из одних и тех же частей.
В примере с RTF-документом мы могли бы определить загрузчик для формата, отличного от RTF, скажем, SGMLReader, и воспользоваться теми же самыми классами TextConverters для генерирования представлений SGML-документов в виде ASCII-текста, ТеХ-текста или текстового виджета;
а дает более тонкий контроль над процессом конструирования. В отличие от порождающих паттернов, которые сразу конструируют весь объект целиком, строитель делает это шаг за шагом под управлением распорядителя.
И лишь когда продукт завершен, распорядитель забирает его у строителя.
Поэтому интерфейс строителя в большей степени отражает процесс конструирования продукта, нежели другие порождающие паттерны. Это позволяет обеспечить более тонкий контроль над процессом конструирования,
а значит, и над внутренней структурой готового продукта.
Реализация
Обычно существует абстрактный класс Builder, в котором определены операции для каждого компонента, который распорядитель может «попросить» создать.
По умолчанию эти операции ничего не делают. Но в классе конкретного строителя ConcreteBuilder они замещены для тех компонентов, в создании которых он принимает участие.
Вот еще некоторые достойные внимания вопросы реализации:
- интерфейс сборки и конструирования. Строители конструируют свои продукты шаг за шагом. Поэтому интерфейс класса Builder должен быть достаточно общим, чтобы обеспечить конструирование при любом виде конкретного строителя.
Ключевой вопрос проектирования связан с выбором модели процесса конструирования и сборки. Обычно бывает достаточно модели, в которой результаты выполнения запросов на конструирование просто добавляются к продукту. В примере с RTF-документами строитель преобразует и добавляет очередную лексему к уже конвертированному тексту.
Но иногда может потребоваться доступ к частям сконструированного к данному моменту продукта. В примере с лабиринтом, который будет описан в разделе «Пример кода», интерфейс класса MazeBui Ider позволяет добавлять дверь между уже существующими комнатами. Другим примером являются древовидные структуры, скажем, деревья синтаксического разбора, которые строятся снизу вверх. В этом случае строитель должен был бы вернуть узлы-потомки распорядителю, который затем передал бы их назад строителю, чтобы тот мог построить родительские узлы.
- почему нет абстрактного класса для продуктов. В типичном случае продукты, изготавливаемые различными строителями, имеют настолько разные представления, что изобретение для них общего родительского класса ничего не дает. В примере с RTF-документами трудно представить себе общий интерфейс у объектов ASCIIText и TextWidget, да он и не нужен.
Поскольку клиент обычно конфигурирует распорядителя подходящим конкретным строителем, то, надо полагать, ему известно, какой именно подкласс класса Builder используется и как нужно обращаться с произведенными продуктами;
- пустые методы класса Builder no умолчанию. В C++ методы строителя намеренно не объявлены чисто виртуальными функциями-членами. Вместо
этого они определены как пустые функции, что позволяет подклассу замещать только те операции, в которых он заинтересован.
Пример кода
Определим вариант функции-члена CreateMaze, которая принимает в качестве аргумента строитель, принадлежащийклассу MazeBuilder.
Класс MazeBuilder определяет следующий интерфейс для построения ла-
биринтов:
class MazeBuilder {
public:
virtual void BuildMaze() { }
virtual void BuildRoom(int room) { }
virtual void BuildDoor(int roomFrom, int roomTo) { }
virtual Maze* GetMaze() { return 0; }
protected:
MazeBuilder();
};
Этот интерфейс позволяет создавать три вещи: лабиринт, комнату с конкретным номером, двери между пронумерованными комнатами. Операция GetMaze возвращает лабиринт клиенту. В подклассах MazeBui Ider данная операция переопределяется для возврата реально созданного лабиринта.
Все операции построения лабиринта в классе MazeBuilder по умолчанию
ничего не делают. Но они не объявлены исключительно виртуальными, чтобы в производных классах можно было замещать лишь часть методов.
Имея интерфейс MazeBuilder, можно изменить функцию-член CreateMaze,
чтобы она принимала строитель в качестве параметра:
Maze* MazeGame::CreateMaze (MazeBuilder& builder) {
builder.BuildMaze();
builder.BuiIdRoom(l);
builder.BuiIdRoom(2) ;
builder.BuildDoor(1, 2);
return builder.GetMaze();
}
Сравните эту версию CreateMaze с первоначальной. Обратите внимание, как строитель скрывает внутреннее представление лабиринта, то есть классы комнат, дверей и стен, и как эти части собираются вместе для завершения построения лабиринта. Кто-то, может, и догадается, что для представления комнат и дверей есть особые классы, но относительно стен нет даже намека. За счет этого становится проще модифицировать способ представления лабиринта, поскольку ни одного из клиентов MazeBuilder изменять не надо.
Как и другие порождающие паттерны, строитель инкапсулирует способ создания объектов; в данном случае с помощью интерфейса, определенного классом MazeBuilder. Это означает, что MazeBuilder можно повторно использовать для построения лабиринтов разных видов. В качестве примера приведем функцию GreateComplexMaze:
Maze* MazeGame::CreateComplexMaze (MazeBuilder& builder) {
builder.BuildRoom(l);
builder.BuildRoom(lOOl);
return builder.GetMazeO ; }
Обратите внимание, что MazeBuilder не создает лабиринты самостоятельно, его основная цель - просто определить интерфейс для создания лабиринтов.
Пустые реализации в этом интерфейсе определены только для удобства. Реальную работу выполняют подклассы MazeBuilder.
Подкласс StandardMazeBuilder содержит реализацию построения простых
лабиринтов. Чтобы следить за процессом создания, используется переменная _currentMaze:
class StandardMazeBuilder : public MazeBuilder {
public:
StandardMazeBuilder();
virtual void BuildMazeO;
virtual void BuildRoom(int);
virtual void BuildDoor(int, int);
virtual Maze* GetMazef);
private:
Direction CommonWall(Room*, Room*);
Maze* _currentMaze;
};
CommonWall (общая стена) - это вспомогательная операция, которая определяет направление общей для двух комнат стены.
Конструктор StandardMazeBuilder просто инициализирует „currentMaze:
StandardMazeBuilder::StandardMazeBuilder () {
_currentMaze = 0;
}
BuildMaze инстанцирует объект класса Maze, который будет собираться другими операциями и, в конце концов, возвратится клиенту (с помощью GetMaze):
void StandardMazeBuilder: : BuildMaze () {
_currentMaze = new Maze;
}
Maze* StandardMazeBuilder::GetMaze () {
return _currentMaze;
}
Операция BuildRoom создает комнату и строит вокруг нее стены:
void StandardMazeBuilder::BuildRoom (int n) {
if (!_currentMaze->RoomNo(n)) {
Room* room = new Room(n);
_currentMaze->AddRoom(room);
room->SetSide(North, new W a l l ) ;
room->SetSide(South, new W a l l ) ;
room->SetSide(East, new W a l l ) ;
room->SetSide(West, new Wall);
}
}
Чтобы построить дверь между двумя комнатами, StandardMazeBuilder находит обе комнаты в лабиринте и их общую стену:
void StandardMazeBuilder : rBuildDoor (int nl , int n2 ) {
Room* rl = _currentMaze->RoomNo (nl) ;
Room* r2 = _currentMaze->RoomNo (n2) ;
Door* d = new Door(rl, r2) ;
rl->SetSide(CommonWall(rl,r2) , d) ;
r2->SetSide(CommonWall(r2,rl) , d) ;
}
Теперь для создания лабиринта клиенты могут использовать Great eMaze в сочетании с StandardMazeBuilder:
Maze* maze;
MazeGame game;
StandardMazeBuilder builder;
game. CreateMaze (builder) ;
maze = builder. GetMaze ( );
Мы могли бы поместить все операции класса StandardMazeBuilder в класс Maze и позволить каждому лабиринту строить самого себя. Но чем меньше класс Maze, тем проще он для понимания и модификации, a StandardMazeBuilder легко отделяется от Maze. Еще важнее то, что разделение этих двух классов позволяет иметь множество разновидностей класса MazeBuilder, в каждом из которых есть собственные классы для комнат, дверей и стен.
Необычным вариантом MazeBuiIder является класс Count ingMazeBuiIder.
Этот строитель вообще не создает никакого лабиринта, он лишь подсчитывает число компонентов разного вида, которые могли бы быть созданы:
class CountingMazeBuilder : public MazeBuilder {
public:
CountingMazeBuilderO ;
virtual void BuildMazeO;
virtual void BuildRoom(int) ;
virtual void BuildDoor (int, int);
virtual void AddWall(int, Direction);
void GetCounts (int&, int&) const;
private:
int _doors,-
int _rooms;
};
Конструктор инициализирует счетчики, а замещенные операции класса
MazeBuilder увеличивают их:
CountingMazeBuilder: : CountingMazeBuilder () {
_rooms = _doors = 0;
}
void CountingMazeBuilder::BuildRoom (int) {
_rooms++;
}
void CountingMazeBuilder: .-BuildDoor (int, int) {
_doors++;
}
void CountingMazeBuilder::GetCounts (
int& rooms, int& doors
) const {
rooms = _rooms;
doors = _doors;
}
Вот как клиент мог бы использовать классCountingMazeBuilder:
int rooms, doors;
MazeGame game;
CountingMazeBuilder builder;
game.CreateMaze(builder);
buiIder.GetCount s(rooms, doors);
cout « "В лабиринте есть "
« rooms « " комнат и "
« doors « " дверей" « endl;
Известные применения
Приложение для конвертирования из формата RTF взято из библиотеки
ЕТ++ [WGM88]. В ней используется строитель для обработки текста, хранящегося в таком формате.
Паттерн строитель широко применяется в языке Smalltalk-80 [РагЭО]:
а класс Parser в подсистеме компиляции - это распорядитель, которому в качестве аргумента передается объект ProgramNodeBuilder. Объект класса Parser извещает объект ProgramNodeBuilder после распознавания каждой ситаксической конструкции. После завершения синтаксического разбора Parser обращается к строителю за созданным деревом разбора и возвращает его клиенту;
- Class Builder- это строитель, которым пользуются все классы для создания своих подклассов. В данном случае этот класс выступает одновременно в качестве распорядителя и продукта;
- ByteCodeStream- это строитель, который создает откомпилированный
метод в виде массива байтов. ByteCodeStream является примером нестандартного применения паттерна строитель, поскольку сложный объект представляется как массив байтов, а не как обычный объект Smalltalk. Но интерфейс к ByteCodeStream типичен для строителя, и этот класс легко можно было бы заменить другим, который представляет программу в виде составного объекта.
Родственные паттерны
Абстрактная фабрика похожа на строитель в том смысле, что может конструировать сложные объекты. Основное различие между ними в том, что строитель делает акцент на пошаговом конструировании объекта, а абстрактная фабрика - на создании семейств объектов (простых или сложных). Строитель возвращает продукт на последнем шаге, тогда как с точки зрения абстрактной фабрики продукт возвращается немедленно.
Паттерн компоновщик - это то, что часто создает строитель.
Паттерн Factory Method