الگوی سازنده عمومی: پیاده‌سازی نوع API سیال

الگوی سازنده (Builder Pattern) یک الگوی طراحی خلاقانه است که ساخت یک شیء پیچیده را از نمایش آن جدا می‌کند. این امر به فرایند ساخت یکسان اجازه می‌دهد تا نمایش‌های متفاوتی را ایجاد کند. الگوی سازنده عمومی این مفهوم را با معرفی ایمنی نوع و قابلیت استفاده مجدد، که اغلب با یک API سیال برای فرآیند ساخت خواناتر و گویاتر همراه است، گسترش می‌دهد. این مقاله الگوی سازنده عمومی را با تمرکز بر پیاده‌سازی نوع API سیال آن بررسی می‌کند و بینش‌ها و مثال‌های عملی را ارائه می‌دهد.

درک الگوی سازنده کلاسیک

قبل از پرداختن به الگوی سازنده عمومی، بیایید الگوی سازنده کلاسیک را مرور کنیم. تصور کنید در حال ساخت یک شیء Computer هستید. این شیء می‌تواند بسیاری از اجزای اختیاری مانند کارت گرافیک، حافظه RAM اضافی یا کارت صدا داشته باشد. استفاده از یک سازنده با پارامترهای اختیاری زیاد (سازنده تلسکوپی) دست و پا گیر می‌شود. الگوی سازنده این مشکل را با ارائه یک کلاس سازنده جداگانه حل می‌کند.

مثال (مفهومی):

به جای:

Computer computer = new Computer(ram, hdd, cpu, graphicsCard, soundCard);

شما استفاده خواهید کرد:

Computer computer = new ComputerBuilder()
    .setRam(ram)
    .setHdd(hdd)
    .setCpu(cpu)
    .setGraphicsCard(graphicsCard)
    .build();

این رویکرد چندین مزیت ارائه می‌دهد:

• خوانایی: کد خواناتر و خود مستند است.
• انعطاف‌پذیری: می‌توانید به راحتی پارامترهای اختیاری را اضافه یا حذف کنید بدون اینکه بر کد موجود تأثیر بگذارد.
• تغییرناپذیری: شیء نهایی می‌تواند تغییرناپذیر باشد، که ایمنی رشته و قابلیت پیش‌بینی را بهبود می‌بخشد.

معرفی الگوی سازنده عمومی

الگوی سازنده عمومی، الگوی سازنده کلاسیک را با معرفی عام‌گرایی (genericity) یک گام جلوتر می‌برد. این امر به ما امکان می‌دهد سازنده‌هایی ایجاد کنیم که ایمن از نظر نوع (type-safe) و قابل استفاده مجدد در انواع مختلف اشیاء باشند. یک جنبه کلیدی اغلب پیاده‌سازی یک API سیال است که امکان زنجیره‌سازی متدها را برای فرآیند ساخت روان‌تر و گویاتر فراهم می‌کند.

مزایای عام‌گرایی و API سیال

• ایمنی نوع: کامپایلر می‌تواند خطاها مربوط به انواع نادرست را در طول فرآیند ساخت شناسایی کند، و مشکلات زمان اجرا را کاهش دهد.
• قابلیت استفاده مجدد: یک پیاده‌سازی سازنده عمومی واحد می‌تواند برای ساخت انواع مختلف اشیاء استفاده شود، که تکرار کد را کاهش می‌دهد.
• گویایی: API سیال کد را خواناتر و قابل فهم‌تر می‌کند. زنجیره‌سازی متدها یک زبان خاص دامنه (DSL) برای ساخت اشیاء ایجاد می‌کند.
• قابلیت نگهداری: کد به دلیل ماهیت ماژولار و ایمن از نظر نوع، آسان‌تر نگهداری و تکامل می‌یابد.

پیاده‌سازی الگوی سازنده عمومی با API سیال

بیایید نحوه پیاده‌سازی الگوی سازنده عمومی با یک API سیال در چندین زبان را بررسی کنیم. ما بر مفاهیم اصلی تمرکز کرده و رویکرد را با مثال‌های مشخص نشان خواهیم داد.

مثال ۱: جاوا

در جاوا، می‌توانیم از انواع عمومی (generics) و زنجیره‌سازی متدها برای ایجاد یک سازنده سیال و ایمن از نظر نوع استفاده کنیم. یک کلاس Person را در نظر بگیرید:

public class Person {
    private final String firstName;
    private final String lastName;
    private final int age;
    private final String address;

    private Person(String firstName, String lastName, int age, String address) {
        this.firstName = firstName;
        this.lastName = lastName;
        this.age = age;
        this.address = address;
    }

    public String getFirstName() {
        return firstName;
    }

    public String getLastName() {
        return lastName;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public static class Builder {
        private String firstName;
        private String lastName;
        private int age;
        private String address;

        public Builder firstName(String firstName) {
            this.firstName = firstName;
            return this;
        }

        public Builder lastName(String lastName) {
            this.lastName = lastName;
            return this;
        }

        public Builder age(int age) {
            this.age = age;
            return this;
        }

        public Builder address(String address) {
            this.address = address;
            return this;
        }

        public Person build() {
            return new Person(firstName, lastName, age, address);
        }
    }
}

//Usage:
Person person = new Person.Builder()
    .firstName("John")
    .lastName("Doe")
    .age(30)
    .address("123 Main St")
    .build();

این یک مثال پایه است، اما API سیال و تغییرناپذیری را برجسته می‌کند. برای یک سازنده واقعاً عمومی، شما نیاز به معرفی انتزاعات بیشتری دارید، که به طور بالقوه از بازتاب (reflection) یا تکنیک‌های تولید کد برای مدیریت پویا انواع مختلف استفاده کنید. کتابخانه‌هایی مانند AutoValue از گوگل می‌توانند ساخت سازنده‌ها را برای اشیاء تغییرناپذیر در جاوا به طور قابل توجهی ساده کنند.

مثال ۲: سی‌شارپ

سی‌شارپ قابلیت‌های مشابهی برای ایجاد سازنده‌های عمومی و سیال ارائه می‌دهد. در اینجا یک مثال با استفاده از کلاس Product آورده شده است:

public class Product
{
    public string Name { get; private set; }
    public decimal Price { get; private set; }
    public string Description { get; private set; }

    private Product(string name, decimal price, string description)
    {
        Name = name;
        Price = price;
        Description = description;
    }

    public class Builder
    {
        private string _name;
        private decimal _price;
        private string _description;

        public Builder WithName(string name)
        {
            _name = name;
            return this;
        }

        public Builder WithPrice(decimal price)
        {
            _price = price;
            return this;
        }

        public Builder WithDescription(string description)
        {
            _description = description;
            return this;
        }

        public Product Build()
        {
            return new Product(_name, _price, _description);
        }
    }
}

//Usage:
Product product = new Product.Builder()
    .WithName("Laptop")
    .WithPrice(1200.00m)
    .WithDescription("High-performance laptop")
    .Build();

در سی‌شارپ، شما همچنین می‌توانید از متدهای افزونه (extension methods) برای بهبود بیشتر API سیال استفاده کنید. به عنوان مثال، می‌توانید متدهای افزونه‌ای ایجاد کنید که گزینه‌های پیکربندی خاصی را بر اساس داده‌های خارجی یا شرایط به سازنده اضافه کنند.

مثال ۳: تایپ‌اسکریپت

تایپ‌اسکریپت، به عنوان یک سوپرست جاوا اسکریپت، همچنین امکان پیاده‌سازی الگوی سازنده عمومی را فراهم می‌کند. ایمنی نوع یک مزیت اصلی در اینجا است.

class Configuration {
    public readonly host: string;
    public readonly port: number;
    public readonly timeout: number;

    private constructor(host: string, port: number, timeout: number) {
        this.host = host;
        this.port = port;
        this.timeout = timeout;
    }

    static get Builder(): ConfigurationBuilder {
        return new ConfigurationBuilder();
    }
}

class ConfigurationBuilder {
    private host: string = "localhost";
    private port: number = 8080;
    private timeout: number = 3000;

    withHost(host: string): ConfigurationBuilder {
        this.host = host;
        return this;
    }

    withPort(port: number): ConfigurationBuilder {
        this.port = port;
        return this;
    }

    withTimeout(timeout: number): ConfigurationBuilder {
        this.timeout = timeout;
        return this;
    }

    build(): Configuration {
        return new Configuration(this.host, this.port, this.timeout);
    }
}

//Usage:
const config = Configuration.Builder
    .withHost("example.com")
    .withPort(80)
    .build();

console.log(config.host); // Output: example.com
console.log(config.port); // Output: 80

سیستم نوع تایپ‌اسکریپت تضمین می‌کند که متدهای سازنده انواع صحیح را دریافت می‌کنند و شیء نهایی با ویژگی‌های مورد انتظار ساخته می‌شود. شما می‌توانید از رابط‌ها (interfaces) و کلاس‌های انتزاعی (abstract classes) برای ایجاد پیاده‌سازی‌های سازنده انعطاف‌پذیرتر و قابل استفاده مجدد استفاده کنید.

ملاحظات پیشرفته: واقعاً عمومی ساختن

مثال‌های قبلی اصول اساسی الگوی سازنده عمومی با API سیال را نشان می‌دهند. با این حال، ایجاد یک سازنده واقعاً عمومی که بتواند انواع مختلف اشیاء را مدیریت کند، نیازمند تکنیک‌های پیشرفته‌تری است. در اینجا چند ملاحظه آورده شده است:

• بازتاب (Reflection): با استفاده از بازتاب می‌توانید خصوصیات شیء هدف را بررسی کرده و مقادیر آن‌ها را به طور پویا تنظیم کنید. این رویکرد می‌تواند پیچیده باشد و ممکن است پیامدهای عملکردی داشته باشد.
• تولید کد (Code Generation): ابزارهایی مانند پردازشگرهای حاشیه‌نویسی (annotation processors در جاوا) یا تولیدکننده‌های منبع (source generators در سی‌شارپ) می‌توانند کلاس‌های سازنده را بر اساس تعریف شیء هدف به طور خودکار تولید کنند. این رویکرد ایمنی نوع را فراهم می‌کند و از بازتاب زمان اجرا جلوگیری می‌کند.
• رابط‌های سازنده انتزاعی: رابط‌ها یا کلاس‌های پایه سازنده انتزاعی را تعریف کنید که یک API مشترک برای ساخت اشیاء ارائه می‌دهند. این امر به شما امکان می‌دهد سازنده‌های تخصصی برای انواع مختلف اشیاء ایجاد کنید و در عین حال یک رابط سازگار را حفظ کنید.
• برنامه‌نویسی متا (Meta-Programming) (در صورت کاربرد): زبان‌هایی با قابلیت‌های برنامه‌نویسی متا قوی می‌توانند سازنده‌ها را به طور پویا در زمان کامپایل ایجاد کنند.

مدیریت تغییرناپذیری

تغییرناپذیری اغلب یک ویژگی مطلوب برای اشیاء ایجاد شده با الگوی سازنده است. اشیاء تغییرناپذیر ایمن از نظر رشته (thread-safe) هستند و درک آن‌ها آسان‌تر است. برای اطمینان از تغییرناپذیری، این دستورالعمل‌ها را دنبال کنید:

• تمام فیلدهای شیء هدف را final (در جاوا) قرار دهید یا از ویژگی‌هایی با تنها یک دسترسی‌کننده get (در سی‌شارپ) استفاده کنید.
• هیچ متد setter برای فیلدهای شیء هدف ارائه ندهید.
• اگر شیء هدف حاوی مجموعه‌ها یا آرایه‌های قابل تغییر است، کپی‌های تدافعی (defensive copies) را در سازنده ایجاد کنید.

رسیدگی به اعتبارسنجی پیچیده

الگوی سازنده همچنین می‌تواند برای اعمال قوانین اعتبارسنجی پیچیده در طول ساخت شیء استفاده شود. شما می‌توانید منطق اعتبارسنجی را به متد build() سازنده یا در متدهای setter جداگانه اضافه کنید. اگر اعتبارسنجی ناموفق بود، یک استثنا (exception) پرتاب کنید یا یک شیء خطا برگردانید.

کاربردهای دنیای واقعی

الگوی سازنده عمومی با API سیال در سناریوهای مختلفی قابل استفاده است، از جمله:

• مدیریت پیکربندی: ساخت اشیاء پیکربندی پیچیده با تعداد زیادی پارامتر اختیاری.
• اشیاء انتقال داده (DTOs): ایجاد DTOها برای انتقال داده بین لایه‌های مختلف یک برنامه.
• مشتریان API: ساخت اشیاء درخواست API با هدرها، پارامترها و payloadهای مختلف.
• طراحی مبتنی بر دامنه (DDD): ساخت اشیاء دامنه پیچیده با روابط و قوانین اعتبارسنجی پیچیده.

مثال: ساخت درخواست API

ساخت یک شیء درخواست API برای یک پلتفرم فرضی تجارت الکترونیک را در نظر بگیرید. درخواست ممکن است شامل پارامترهایی مانند نقطه پایانی API، متد HTTP، هدرها و بدنه درخواست باشد.

با استفاده از الگوی سازنده عمومی، می‌توانید راهی انعطاف‌پذیر و ایمن از نظر نوع برای ساخت این درخواست‌ها ایجاد کنید:

//Conceptual Example
ApiRequest request = new ApiRequestBuilder()
    .withEndpoint("/products")
    .withMethod("GET")
    .withHeader("Authorization", "Bearer token")
    .withParameter("category", "electronics")
    .build();

این رویکرد به شما امکان می‌دهد پارامترهای درخواست را به راحتی اضافه یا اصلاح کنید بدون اینکه کد اصلی را تغییر دهید.

جایگزین‌های الگوی سازنده عمومی

در حالی که الگوی سازنده عمومی مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد، مهم است که رویکردهای جایگزین را در نظر بگیرید:

• سازنده‌های تلسکوپی: همانطور که قبلاً ذکر شد، سازنده‌های تلسکوپی با پارامترهای اختیاری زیاد می‌توانند دست و پا گیر شوند.
• الگوی کارخانه (Factory Pattern): الگوی کارخانه بر ایجاد اشیاء تمرکز دارد اما لزوماً پیچیدگی ساخت اشیاء با پارامترهای اختیاری زیاد را برطرف نمی‌کند.
• Lombok (جاوا): Lombok یک کتابخانه جاوا است که کد تکراری (boilerplate code) را به طور خودکار تولید می‌کند، از جمله سازنده‌ها. این می‌تواند مقدار کدی را که باید بنویسید به طور قابل توجهی کاهش دهد، اما وابستگی به Lombok را معرفی می‌کند.
• انواع Record (جاوا ۱۴+ / سی‌شارپ ۹+): Recordها راهی مختصر برای تعریف کلاس‌های داده تغییرناپذیر ارائه می‌دهند. در حالی که مستقیماً از الگوی سازنده پشتیبانی نمی‌کنند، می‌توانید به راحتی یک کلاس سازنده برای یک Record ایجاد کنید.

نتیجه‌گیری

الگوی سازنده عمومی، همراه با API سیال، ابزاری قدرتمند برای ایجاد اشیاء پیچیده به روشی ایمن از نظر نوع، خوانا و قابل نگهداری است. با درک اصول اساسی و در نظر گرفتن تکنیک‌های پیشرفته مورد بحث در این مقاله، می‌توانید به طور موثری از این الگو در پروژه‌های خود برای بهبود کیفیت کد و کاهش زمان توسعه استفاده کنید. مثال‌های ارائه شده در زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف، تطبیق‌پذیری الگو و قابلیت کاربرد آن در سناریوهای مختلف دنیای واقعی را نشان می‌دهند. به یاد داشته باشید که رویکردی را انتخاب کنید که به بهترین وجه با نیازهای خاص و زمینه برنامه‌نویسی شما مطابقت دارد، و عواملی مانند پیچیدگی کد، الزامات عملکرد و ویژگی‌های زبان را در نظر بگیرید.

چه در حال ساخت اشیاء پیکربندی، DTOها یا مشتریان API باشید، الگوی سازنده عمومی می‌تواند به شما در ایجاد راه‌حلی قوی‌تر و زیباتر کمک کند.

کاوش بیشتر

• کتاب "Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software" نوشته Erich Gamma، Richard Helm، Ralph Johnson و John Vlissides (The Gang of Four) را برای درک بنیادی الگوی سازنده بخوانید.
• کتابخانه‌هایی مانند AutoValue (جاوا) و Lombok (جاوا) را برای ساده‌سازی ایجاد سازنده‌ها کاوش کنید.
• تولیدکننده‌های منبع (source generators) را در سی‌شارپ برای تولید خودکار کلاس‌های سازنده بررسی کنید.