C# 設計模式：建造者模式將複雜物件建構與表示分離

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問題背景

建構一個「學生選課成績單」物件，包含：必修、選修、限修三類課程，每類課程又有不同科目與學分。若用建構函數，參數過多、順序易搞錯、難以擴充；若用屬性逐一設定，可能產生「半初始化」的無效物件。建造者模式透過分步驟建構、指導者控制流程、建造者封裝細節，優雅解決此類問題。

模式定義

將一個複雜物件的建構與它的表示分離，使得相同的建構過程可以創建不同的表示。

類別結構

建造者模式結構圖

Product：複雜物件（課程成績單）
Builder：抽象建造介面（定義建構步驟）
ConcreteBuilder：具體建造者（大學部/研究所不同規則）
Director：指導者（控制建構順序）

完整實作：學生選課成績單系統

1. 產品類別


public class CourseReport
{
    private readonly Dictionary _courses = new();

    public void AddCourse(string courseId, decimal score)
    {
        _courses[courseId] = score;
    }

    public decimal CalculateTotalScore()
    {
        decimal total = 0;
        foreach (var kvp in _courses)
        {
            Console.WriteLine($"課程:{kvp.Key} 成績:{kvp.Value}");
            total += kvp.Value;
        }
        return total;
    }
}

2. 抽象建造者


public abstract class CourseReportBuilder
{
    protected CourseReport _report = new();

    // 固定建構步驟（演算法骨架）
    public abstract void BuildRequiredCourses();   // 必修
    public abstract void BuildElectiveCourses();   // 選修
    public abstract void BuildRestrictedCourses(); // 限修

    public CourseReport GetReport() => _report;
}

3. 具體建造者：大學部


public class UndergraduateBuilder : CourseReportBuilder
{
    public override void BuildRequiredCourses()
    {
        _report.AddCourse("UG-101", 80m); // 微積分
        _report.AddCourse("UG-102", 85m); // 物理
    }

    public override void BuildElectiveCourses()
    {
        _report.AddCourse("UG-E01", 90m); // 程式設計入門
    }

    public override void BuildRestrictedCourses()
    {
        _report.AddCourse("UG-R01", 95m); // 體育（必選）
    }
}

4. 具體建造者：研究所


public class GraduateBuilder : CourseReportBuilder
{
    public override void BuildRequiredCourses()
    {
        _report.AddCourse("GR-501", 70m); // 進階演算法
        _report.AddCourse("GR-502", 75m); // 機器學習理論
    }

    public override void BuildElectiveCourses()
    {
        _report.AddCourse("GR-E01", 80m); // 深度學習實務
    }

    public override void BuildRestrictedCourses()
    {
        _report.AddCourse("GR-R01", 85m); // 學術倫理
    }
}

5. 指導者


public class ReportDirector
{
    // 控制建構順序（不可變）
    public void Construct(CourseReportBuilder builder)
    {
        builder.BuildRequiredCourses();
        builder.BuildElectiveCourses();
        builder.BuildRestrictedCourses();
    }
}

6. 客戶端使用


class Program
{
    static void Main()
    {
        var director = new ReportDirector();

        // 建構大學部成績單
        var ugBuilder = new UndergraduateBuilder();
        director.Construct(ugBuilder);
        var ugReport = ugBuilder.GetReport();
        Console.WriteLine($"=== 大學部總分: {ugReport.CalculateTotalScore()} ===\n");

        // 建構研究所成績單
        var grBuilder = new GraduateBuilder();
        director.Construct(grBuilder);
        var grReport = grBuilder.GetReport();
        Console.WriteLine($"=== 研究所總分: {grReport.CalculateTotalScore()} ===");

        Console.ReadKey();
    }
}

執行結果


=== 大學部總分: 350 ===
課程:UG-101 成績:80
課程:UG-102 成績:85
課程:UG-E01 成績:90
課程:UG-R01 成績:95

=== 研究所總分: 310 ===
課程:GR-501 成績:70
課程:GR-502 成績:75
課程:GR-E01 成績:80
課程:GR-R01 成績:85

進階：流暢介面建造者

現代 C# 常用鏈式呼叫取代 Director，更直覺：


public class FluentCourseReportBuilder
{
    private readonly CourseReport _report = new();

    public FluentCourseReportBuilder AddRequired(string id, decimal score)
    {
        _report.AddCourse($"REQ-{id}", score);
        return this;
    }

    public FluentCourseReportBuilder AddElective(string id, decimal score)
    {
        _report.AddCourse($"ELE-{id}", score);
        return this;
    }

    public CourseReport Build() => _report;
}

// 使用
var report = new FluentCourseReportBuilder()
    .AddRequired("Math", 90)
    .AddRequired("Physics", 85)
    .AddElective("CSharp", 95)
    .Build();

建造者模式 vs 工廠模式 vs 模板方法

模式	核心意圖	關鍵差異
建造者	分步驟建構複雜物件	強調建構過程、可產生不同表示
工廠方法	建立單一物件	一次建立完成、無建構步驟
抽象工廠	建立相關物件家族	多個產品、無建構順序
模板方法	定義演算法骨架	行為導向、非物件建構

優缺點與適用場景

優點	缺點
✅ 封裝建構細節，使用者只需指定型別 ✅ 可精確控制建構順序 ✅ 易於新增新的建造者（開閉原則） ✅ 避免超長建構函數/屬性初始化器	⚠️ 類別數量增加 ⚠️ 產品內部結構變動時，所有建造者需同步修改 ⚠️ 簡單物件使用過度設計