2024-08-31

C++ 設計模式 - 建造者模式 Builder Pattern

當你進入餐廳點餐時，菜單上琳瑯滿目的選擇可能讓你感到無從下手。你可以選擇一個套餐，但如果你有特別的需求，例如多點一份沙拉，少放一點醬料，這時候就需要進行個性化的訂單。而這樣的流程，正是建造者模式 Builder Pattern 的精髓所在。它不僅在生活中隨處可見，在軟體設計中更是強大而實用的一種模式。

什麼是建造者模式？

建造者模式是一種建立型設計模式，它將物件的建立過程分解為多個步驟，並且可以根據需求有選擇地組合這些步驟，最終產生我們所需的物件。這樣的設計模式特別適合用於那些需要一步步構建，且每一步可能有不同選擇的複雜物件。

建造者模式通常包含以下角色：

Product（產品）：最終被構建的複雜物件。
Builder（建造者）：定義構建物件的抽象介面。
ConcreteBuilder（具體建造者）：實現 Builder 介面，提供具體的構建步驟。
Director（指揮者）：負責使用建造者來構建產品，控制建造的過程。

建造者模式在訂製汽車中的應用

讓我們以訂製汽車為例來說明建造者模式的應用。想像你正在購買一輛新車，經銷商會給你提供一系列選項，從引擎、輪胎到內裝，你可以自由選擇搭配，打造一輛專屬於你的車輛。這正是建造者模式最典型的應用場景。

我們需要定義最終要建造的產品 Car 類別，

// 產品類 Product
class Car {
private:
    std::string engine;
    std::string wheels;
    std::string interior;

public:
    void setEngine(const std::string& engineType) {
        engine = engineType;
    }

    void setWheels(const std::string& wheelType) {
        wheels = wheelType;
    }

    void setInterior(const std::string& interiorType) {
        interior = interiorType;
    }

    void showSpecifications() const {
        std::cout << "Engine: " << engine << "\n"
                  << "Wheels: " << wheels << "\n"
                  << "Interior: " << interior << std::endl;
    }
};

再定義一個 Builder 介面，它包含了構建汽車各部分的方法，

// 建造者介面 Builder
class CarBuilder {
public:
    virtual void buildEngine() = 0;
    virtual void buildWheels() = 0;
    virtual void buildInterior() = 0;
    virtual Car* getCar() = 0;
    virtual ~CarBuilder() = default;
};

接著我們建立具體的建造者類別，例如一個豪華汽車的建造者，

// 具體建造者 ConcreteBuilder
class LuxuryCarBuilder : public CarBuilder {
private:
    Car* car;

public:
    LuxuryCarBuilder() {
        car = new Car();
    }

    void buildEngine() override {
        car->setEngine("V8 Turbo Engine");
    }

    void buildWheels() override {
        car->setWheels("Alloy Wheels");
    }

    void buildInterior() override {
        car->setInterior("Leather Interior");
    }

    Car* getCar() override {
        return car;
    }
};

然後我們建立一個指揮者來控制建造的過程，

// 指揮者 Director
class CarDirector {
private:
    CarBuilder* builder;

public:
    CarDirector(CarBuilder* builder) : builder(builder) {}

    Car* construct() {
        builder->buildEngine();
        builder->buildWheels();
        builder->buildInterior();
        return builder->getCar();
    }
};

當你需要訂製一輛豪華汽車時，只需透過建造者模式來構建它，

int main() {
    CarBuilder* builder = new LuxuryCarBuilder();
    CarDirector director(builder);
    Car* car = director.construct();

    car->showSpecifications();

    delete car;
    delete builder;

    return 0;
}

這樣的設計讓我們可以輕鬆地改變汽車的設定，或者在需要時引入新的建造者，而不必修改現有的邏輯。建造者模式提供了靈活的物件構建過程，使得我們可以在不同需求下產生不同的產品。

建造者模式的優缺點

建造者模式的優點在於它的靈活性和可擴展性。由於構建過程是分步驟進行的，我們可以輕鬆地在不同的情境下進行客製化，無論是增加新功能還是修改現有步驟，都不會影響整個系統的設計。這樣的設計模式特別適合那些物件結構複雜且需要逐步構建的場景。

建造者模式也有缺點。由於每一個具體建造者都必須實現所有的建造步驟，這會導致大量的程式碼重複，特別是在類似的建造者之間。並且當物件的構建步驟過多時，可能會使得建造者變得臃腫，降低了程式碼的可讀性與維護性。另外指揮者雖然讓建造過程更具組織性，但也可能產生額外的複雜度。

總結

建造者模式特別適合於建立複雜物件或者需要靈活設定的物件。它就像是一個精密的工廠流水線，可以根據不同的需求生產出不同的產品，而且每個產品都保持品質與一致性。在現代軟體開發中，無論是複雜的汽車製造、蓋房屋，還是表單產生器，建造者模式都能幫助我們應對，當你下次面對需要建立複雜物件，或者需要根據不同情況建立不同類型物件的場景時，不妨考慮使用建造者模式。它可能正是你解決問題的關鍵。