Builder Pattern
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#low level design
#design pattern
#creational pattern
類型：Creational Pattern 別名：建造者模式（Object Construction Pattern）
💡 1. 定義（Definition）
Builder Pattern 將「複雜物件的建構過程」與「最終表示（representation）」分離， 讓相同的建構過程可以產生不同形式的物件。
📘 簡單說：
「當一個物件有很多欄位、初始化很複雜時， 不要一次塞進 init，改用 Builder 分步構建。」
🎯 2. 問題背景（Problem Statement）
假設你要建立一個 UserProfile 物件， 有很多可選參數：nickname, age, email, avatar, bio, settings…
一般作法👇
user = UserProfile("Frankie", 27, None, None, "Backend Dev", None)
👉 問題：
- 可選欄位太多，難讀又容易傳錯。
- 初始化參數順序太長。
- 不同版本（例如簡版 / 詳版 / 匿名版）重複代碼。
⚙️ 3. 解決方案（Solution）
使用 Builder 分步建立物件，每一步只負責設定一部分屬性。 最後由 Builder 的 build() 方法產生完整物件。
🧱 4. 結構與角色（Structure & Participants）
| 角色 | 職責 |
|---|---|
| Builder (建造者介面) | 定義建造各部分的方法 |
| ConcreteBuilder | 實際實作建造邏輯 |
| Director (導演類別) | 控制建構流程（可選） |
| Product | 最終生成的複雜物件 |
classDiagram
class Director {
+construct(builder: Builder)
}
class Builder {
+set_part_a()
+set_part_b()
+get_result()
}
class ConcreteBuilder {
+set_part_a()
+set_part_b()
+get_result()
}
class Product
Director --> Builder
Builder <|-- ConcreteBuilder
ConcreteBuilder --> Product
🧩 5. 程式碼範例（Python）
🧱 Builder Pattern Example
# === Product ===
class UserProfile:
def __init__(self):
self.nickname = None
self.age = None
self.email = None
self.avatar = None
self.bio = None
def __repr__(self):
return f"UserProfile({self.nickname}, {self.age}, {self.email}, {self.avatar}, {self.bio})"
# === Builder ===
class UserProfileBuilder:
def __init__(self):
self.user = UserProfile()
def set_nickname(self, nickname):
self.user.nickname = nickname
return self
def set_age(self, age):
self.user.age = age
return self
def set_email(self, email):
self.user.email = email
return self
def set_avatar(self, avatar):
self.user.avatar = avatar
return self
def set_bio(self, bio):
self.user.bio = bio
return self
def build(self):
return self.user
# === 使用 ===
user = (
UserProfileBuilder()
.set_nickname("Frankie")
.set_age(27)
.set_bio("Backend Engineer & Music Lover")
.build()
)
print(user)
輸出：
UserProfile(Frankie, 27, None, None, Backend Engineer & Music Lover)
🧠 說明：
- .set_xxx() 回傳自己（支援 chaining）
- .build() 統一生成物件
🧰 加入 Director（可選）
當建構邏輯固定時可用 Director 管控建構順序：
class UserDirector:
def __init__(self, builder):
self.builder = builder
def construct_simple_user(self):
return self.builder.set_nickname("Guest").set_bio("Anonymous user").build()
🧠 6. 實際應用場景（Real-world Use Cases）
| 場景 | 實例 |
|---|---|
| 🏗️ 物件初始化很複雜時 | 設定檔、HTTP 請求、AI pipeline |
| 🧩 分步組合設定 | 建立 Docker Compose config、API query builder |
| 🧾 不同版本物件 | 簡易用戶 vs 進階用戶、不同環境設定 |
| ☁️ SDK / API 建立請求 | OpenAI, AWS SDK, FastAPI request builder |
⚖️ 7. 優點與缺點（Pros & Cons）
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| ✅ 可讀性高、支援 chaining | ❌ 類別結構變多 |
| ✅ 支援複雜組裝流程 | ❌ 建構過程不透明（不適合簡單物件） |
| ✅ 易於擴展、重複利用建構邏輯 | ❌ 若 Product 結構太簡單會顯得 overkill |
🔍 8. 與其他模式比較（Comparison）
| 模式 | 差異 |
|---|---|
| Factory Method | 關注「建立哪一種物件」 |
| Builder | 關注「如何一步步建立複雜物件」 |
| Prototype | 從現有物件複製，不是重建 |
| Abstract Factory | 一次建立一組產品，非一步步構建 |
🧭 9. 實務設計指引（Design Tips）
- ✅ 適合需要「多步設定」的物件（尤其 config-heavy 系統）
- ✅ 可與 Fluent Interface 搭配（連鎖呼叫 .set_xxx()）
- 🚫 若初始化只有兩三個欄位，不必使用
- 💬 可與 Factory Pattern 結合：Factory 建立 Builder，再由 Builder 組裝物件
🧮 10. 面試考點（Interview Insights）
| 問題 | 你應該怎麼回答 |
|---|---|
| 什麼是 Builder Pattern？ | 將物件的建構過程與最終表示分離。 |
| 為什麼不用多個建構子？ | Builder 更具可讀性、支援鏈式設定。 |
| 實際例子？ | Query builder, Config builder, Request builder。 |
| Python 怎麼實現？ | 使用 chaining methods + 最後 build()。 |
✅ 11. 一句話總結（One-liner Summary）
「Builder Pattern 讓你一步步建立複雜物件， 既清晰又靈活，特別適合 config-heavy 或多階段初始化場景。」
📚 12. 延伸閱讀（Further Reading）
- 📘 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
- 🧩 Refactoring.Guru – Builder Pattern
- 🧱 Example: SQLAlchemy Query Builder / OpenAI API Request Builder
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