[Design Patterns] 빌더와 프로토타입 패턴의 깊이 있는 이해

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// 문제가 있는 생성자 - "Constructor Hell"
public class HttpRequest {
    public HttpRequest(String url, String method, Map<String, String> headers,
                      String body, int timeout, boolean followRedirects,
                      String userAgent, String contentType, String encoding,
                      boolean compression, SSLContext sslContext, 
                      Proxy proxy, Authenticator auth) {
        // 15개 이상의 매개변수... 이게 맞나?
    }
}

// 사용할 때도 지옥
HttpRequest request = new HttpRequest(
    "https://api.example.com", 
    "POST",
    null,  // 헤더 없음
    "{\"data\": \"value\"}", 
    5000,  // 타임아웃
    true,  // 리다이렉트 따라가기
    null,  // 기본 User-Agent
    "application/json",
    "UTF-8",
    false, // 압축 없음
    null,  // 기본 SSL
    null,  // 프록시 없음  
    null   // 인증 없음
);

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// 매개변수가 계속 늘어나는 생성자의 진화
public class DatabaseConnection {
    // 버전 1.0 - 단순했던 시절
    public DatabaseConnection(String url) { ... }
    
    // 버전 1.1 - 인증 추가
    public DatabaseConnection(String url, String username, String password) { ... }
    
    // 버전 1.2 - 타임아웃 설정 추가
    public DatabaseConnection(String url, String username, String password, int timeout) { ... }
    
    // 버전 1.3 - SSL 설정 추가
    public DatabaseConnection(String url, String username, String password, 
                            int timeout, boolean useSSL) { ... }
    
    // 버전 2.0 - 커넥션 풀 설정 추가
    public DatabaseConnection(String url, String username, String password,
                            int timeout, boolean useSSL, int maxConnections,
                            int minConnections, boolean autoCommit,
                            String charset, Properties additionalProps) {
        // 이제 누가 이 순서를 기억할 수 있을까?
    }
}

// 사용할 때의 악몽
DatabaseConnection conn = new DatabaseConnection(
    "jdbc:mysql://localhost:3306/mydb",
    "user",
    "password", 
    5000,    // 타임아웃인가? 최대 연결수인가?
    true,    // SSL인가? 자동 커밋인가?
    10,      // 뭐가 10개인지...
    2,       // 뭐가 2개인지...
    false,   // 뭐가 false인지...
    "UTF-8", // 이건 확실히 charset
    null     // 추가 설정은 없음
);

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public class DatabaseConnection {
    // 불변 필드들
    private final String url;
    private final String username;
    private final String password;
    private final int timeout;
    private final boolean useSSL;
    private final int maxConnections;
    private final int minConnections;
    private final boolean autoCommit;
    private final String charset;
    private final Properties additionalProperties;
    
    // private 생성자 - Builder를 통해서만 생성 가능
    private DatabaseConnection(Builder builder) {
        this.url = builder.url;
        this.username = builder.username;
        this.password = builder.password;
        this.timeout = builder.timeout;
        this.useSSL = builder.useSSL;
        this.maxConnections = builder.maxConnections;
        this.minConnections = builder.minConnections;
        this.autoCommit = builder.autoCommit;
        this.charset = builder.charset;
        this.additionalProperties = new Properties(builder.additionalProperties);
        
        // 생성 시점에 검증
        validate();
    }
    
    private void validate() {
        if (url == null || url.trim().isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("URL cannot be null or empty");
        }
        if (maxConnections < minConnections) {
            throw new IllegalArgumentException("Max connections cannot be less than min connections");
        }
        if (timeout < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Timeout cannot be negative");
        }
    }
    
    // Builder 클래스
    public static class Builder {
        // 필수 필드
        private String url;
        
        // 선택적 필드들 - 기본값 설정
        private String username = "";
        private String password = "";
        private int timeout = 5000;
        private boolean useSSL = false;
        private int maxConnections = 10;
        private int minConnections = 1;
        private boolean autoCommit = true;
        private String charset = "UTF-8";
        private Properties additionalProperties = new Properties();
        
        // 필수 매개변수는 생성자에서
        public Builder(String url) {
            this.url = url;
        }
        
        // Fluent Interface - 메서드 체이닝
        public Builder username(String username) {
            this.username = username;
            return this;
        }
        
        public Builder password(String password) {
            this.password = password;
            return this;
        }
        
        public Builder timeout(int timeout) {
            this.timeout = timeout;
            return this;
        }
        
        public Builder useSSL(boolean useSSL) {
            this.useSSL = useSSL;
            return this;
        }
        
        public Builder connectionPool(int min, int max) {
            this.minConnections = min;
            this.maxConnections = max;
            return this;
        }
        
        public Builder autoCommit(boolean autoCommit) {
            this.autoCommit = autoCommit;
            return this;
        }
        
        public Builder charset(String charset) {
            this.charset = charset;
            return this;
        }
        
        public Builder addProperty(String key, String value) {
            this.additionalProperties.setProperty(key, value);
            return this;
        }
        
        // 최종 객체 생성
        public DatabaseConnection build() {
            return new DatabaseConnection(this);
        }
    }
}

// 사용법 - 훨씬 명확하고 가독성이 좋음
DatabaseConnection connection = new DatabaseConnection.Builder("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb")
    .username("admin")
    .password("secret123")
    .timeout(10000)
    .useSSL(true)
    .connectionPool(2, 20)
    .autoCommit(false)
    .charset("UTF-8")
    .addProperty("cachePreparedStatements", "true")
    .addProperty("useServerPreparedStmts", "true")
    .build();

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// 타입 안전한 빌더 인터페이스들
public class TypeSafeDatabaseConnection {
    
    // 각 단계를 나타내는 인터페이스
    public interface UrlStep {
        UsernameStep url(String url);
    }
    
    public interface UsernameStep {
        PasswordStep username(String username);
    }
    
    public interface PasswordStep {
        BuildStep password(String password);
    }
    
    public interface BuildStep {
        BuildStep timeout(int timeout);
        BuildStep useSSL(boolean useSSL);
        BuildStep connectionPool(int min, int max);
        BuildStep autoCommit(boolean autoCommit);
        BuildStep charset(String charset);
        BuildStep addProperty(String key, String value);
        DatabaseConnection build();
    }
    
    // 실제 Builder 구현
    public static class Builder implements UrlStep, UsernameStep, PasswordStep, BuildStep {
        private String url;
        private String username;
        private String password;
        private int timeout = 5000;
        private boolean useSSL = false;
        private int maxConnections = 10;
        private int minConnections = 1;
        private boolean autoCommit = true;
        private String charset = "UTF-8";
        private Properties additionalProperties = new Properties();
        
        @Override
        public UsernameStep url(String url) {
            this.url = url;
            return this;
        }
        
        @Override
        public PasswordStep username(String username) {
            this.username = username;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep password(String password) {
            this.password = password;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep timeout(int timeout) {
            this.timeout = timeout;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep useSSL(boolean useSSL) {
            this.useSSL = useSSL;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep connectionPool(int min, int max) {
            this.minConnections = min;
            this.maxConnections = max;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep autoCommit(boolean autoCommit) {
            this.autoCommit = autoCommit;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep charset(String charset) {
            this.charset = charset;
            return this;
        }
        
        @Override
        public BuildStep addProperty(String key, String value) {
            this.additionalProperties.setProperty(key, value);
            return this;
        }
        
        @Override
        public DatabaseConnection build() {
            return new DatabaseConnection(this);
        }
    }
    
    // 정적 팩토리 메서드
    public static UrlStep builder() {
        return new Builder();
    }
    
    // 나머지 필드들과 생성자
    private final String url;
    private final String username;
    private final String password;
    // ... 기타 필드들
    
    private DatabaseConnection(Builder builder) {
        this.url = builder.url;
        this.username = builder.username;
        this.password = builder.password;
        // ... 기타 필드 할당
    }
}

// 사용법 - 필수 필드를 빼먹으면 컴파일 에러!
DatabaseConnection connection = TypeSafeDatabaseConnection.builder()
    .url("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb")     // 필수
    .username("admin")                           // 필수
    .password("secret123")                       // 필수
    .timeout(10000)                             // 선택
    .useSSL(true)                               // 선택
    .build();

// 컴파일 에러 - password()를 호출하지 않음
DatabaseConnection invalid = TypeSafeDatabaseConnection.builder()
    .url("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb")
    .username("admin")
    // .password("secret123")  // 이 줄을 빼먹으면 컴파일 에러!
    .build(); // 컴파일 에러: password() 메서드를 먼저 호출해야 함

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// 복잡한 초기화 과정을 가진 객체
public class GameCharacter {
    private String name;
    private int level;
    private List<Skill> skills;
    private Equipment equipment;
    private Statistics stats;
    private Map<String, Object> aiParameters;
    
    // 생성자에서 복잡한 초기화
    public GameCharacter(String name, CharacterClass characterClass) {
        this.name = name;
        this.level = 1;
        
        // 복잡한 스킬 트리 구성 - 시간이 많이 걸림
        this.skills = SkillTreeFactory.createSkillTree(characterClass);
        
        // 장비 초기화 - 데이터베이스 조회 필요
        this.equipment = EquipmentFactory.createStartingEquipment(characterClass);
        
        // 통계 계산 - 복잡한 수식 적용
        this.stats = StatisticsCalculator.calculateBaseStats(characterClass, equipment);
        
        // AI 매개변수 로드 - 설정 파일 파싱
        this.aiParameters = AIConfigLoader.loadParameters(characterClass);
        
        // 총 초기화 시간: 100-200ms
    }
}

// 문제: 동일한 클래스의 캐릭터를 100명 만들려면?
List<GameCharacter> characters = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    characters.add(new GameCharacter("Warrior" + i, CharacterClass.WARRIOR));
    // 총 시간: 10-20초! (각각 100-200ms씩)
}

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public class GameCharacter implements Cloneable {
    private String name;
    private int level;
    private List<Skill> skills;
    private Equipment equipment;
    private Statistics stats;
    private Map<String, Object> aiParameters;
    
    // 복잡한 초기화는 한 번만
    private GameCharacter(String name, CharacterClass characterClass) {
        this.name = name;
        this.level = 1;
        this.skills = SkillTreeFactory.createSkillTree(characterClass);
        this.equipment = EquipmentFactory.createStartingEquipment(characterClass);
        this.stats = StatisticsCalculator.calculateBaseStats(characterClass, equipment);
        this.aiParameters = AIConfigLoader.loadParameters(characterClass);
    }
    
    // 복제를 통한 생성
    @Override
    public GameCharacter clone() throws CloneNotSupportedException {
        GameCharacter cloned = (GameCharacter) super.clone();
        
        // Deep copy가 필요한 필드들
        cloned.skills = new ArrayList<>(this.skills);
        cloned.equipment = this.equipment.clone();
        cloned.stats = this.stats.clone();
        cloned.aiParameters = new HashMap<>(this.aiParameters);
        
        return cloned;
    }
    
    // 이름 변경을 위한 메서드
    public GameCharacter withName(String newName) throws CloneNotSupportedException {
        GameCharacter cloned = this.clone();
        cloned.name = newName;
        return cloned;
    }
    
    // Prototype Registry를 위한 정적 메서드
    private static final Map<CharacterClass, GameCharacter> prototypes = new HashMap<>();
    
    static {
        // 각 클래스별 프로토타입 미리 생성 (초기화 시 한 번만)
        prototypes.put(CharacterClass.WARRIOR, new GameCharacter("DefaultWarrior", CharacterClass.WARRIOR));
        prototypes.put(CharacterClass.MAGE, new GameCharacter("DefaultMage", CharacterClass.MAGE));
        prototypes.put(CharacterClass.ARCHER, new GameCharacter("DefaultArcher", CharacterClass.ARCHER));
    }
    
    public static GameCharacter createCharacter(String name, CharacterClass characterClass) 
            throws CloneNotSupportedException {
        return prototypes.get(characterClass).withName(name);
    }
}

// 사용법 - 훨씬 빠름!
List<GameCharacter> characters = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    characters.add(GameCharacter.createCharacter("Warrior" + i, CharacterClass.WARRIOR));
    // 총 시간: 1-2초! (복제는 1-2ms씩)
}

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public class ComplexDocument implements Cloneable {
    private String title;
    private Date createdDate;
    private List<Page> pages;
    private DocumentMetadata metadata;
    private byte[] content;
    
    // Shallow Copy - 참조만 복사
    @Override
    public ComplexDocument clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (ComplexDocument) super.clone();
        // 문제: pages, metadata, content가 원본과 공유됨!
    }
    
    // 올바른 Deep Copy 구현
    @Override
    public ComplexDocument clone() throws CloneNotSupportedException {
        ComplexDocument cloned = (ComplexDocument) super.clone();
        
        // 불변 객체는 그대로 두어도 됨
        // this.title - String은 불변
        // this.createdDate - Date는 mutable이므로 복제 필요
        
        cloned.createdDate = new Date(this.createdDate.getTime());
        
        // 컬렉션은 새로 만들고 내용도 복제
        cloned.pages = new ArrayList<>();
        for (Page page : this.pages) {
            cloned.pages.add(page.clone());
        }
        
        // 복잡한 객체도 복제
        cloned.metadata = this.metadata.clone();
        
        // 배열은 내용 복사
        cloned.content = Arrays.copyOf(this.content, this.content.length);
        
        return cloned;
    }
    
    // 성능 최적화된 선택적 Deep Copy
    public ComplexDocument cloneWithOptions(boolean copyPages, boolean copyContent) 
            throws CloneNotSupportedException {
        ComplexDocument cloned = (ComplexDocument) super.clone();
        
        cloned.createdDate = new Date(this.createdDate.getTime());
        cloned.metadata = this.metadata.clone();
        
        if (copyPages) {
            cloned.pages = new ArrayList<>();
            for (Page page : this.pages) {
                cloned.pages.add(page.clone());
            }
        } else {
            cloned.pages = this.pages; // 공유
        }
        
        if (copyContent) {
            cloned.content = Arrays.copyOf(this.content, this.content.length);
        } else {
            cloned.content = this.content; // 공유
        }
        
        return cloned;
    }
}

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public class LargeDataSet implements Cloneable {
    private boolean isShared = false;
    private List<DataElement> data;
    
    public LargeDataSet(List<DataElement> data) {
        this.data = new ArrayList<>(data);
    }
    
    @Override
    public LargeDataSet clone() throws CloneNotSupportedException {
        LargeDataSet cloned = (LargeDataSet) super.clone();
        
        // 즉시 복사하지 않고 공유 표시만
        this.isShared = true;
        cloned.isShared = true;
        cloned.data = this.data; // 일단 공유
        
        return cloned;
    }
    
    // 실제 수정이 일어날 때만 복사
    public void addElement(DataElement element) {
        if (isShared) {
            // Copy-on-Write: 수정할 때 비로소 복사
            this.data = new ArrayList<>(this.data);
            this.isShared = false;
        }
        this.data.add(element);
    }
    
    // 읽기 전용 접근은 복사 없이
    public DataElement getElement(int index) {
        return data.get(index);
    }
    
    public int size() {
        return data.size();
    }
}

// 사용 예
LargeDataSet original = new LargeDataSet(hugeDataList);
LargeDataSet copy1 = original.clone(); // 빠름 - 실제 복사 안 함
LargeDataSet copy2 = original.clone(); // 빠름 - 실제 복사 안 함

// 이 시점까지는 메모리 공유
copy1.addElement(newElement); // 이 때 copy1만 실제 복사됨

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@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class ObjectCreationBenchmark {
    
    private ComplexObject prototype;
    private ComplexObject.Builder builder;
    
    @Setup
    public void setup() {
        // 프로토타입 준비
        prototype = new ComplexObject("template", generateLargeData());
        
        // 빌더 준비
        builder = new ComplexObject.Builder()
            .withBasicConfig()
            .withDefaultData();
    }
    
    @Benchmark
    public ComplexObject testDirectCreation() {
        return new ComplexObject("test", generateLargeData());
    }
    
    @Benchmark
    public ComplexObject testPrototypeCloning() throws CloneNotSupportedException {
        return prototype.clone().withName("test");
    }
    
    @Benchmark
    public ComplexObject testBuilderPattern() {
        return builder.withName("test").build();
    }
    
    @Benchmark
    public ComplexObject testCopyOnWrite() throws CloneNotSupportedException {
        return prototype.cloneLazy().withName("test");
    }
}

/*
JMH 벤치마크 결과 (마이크로초/operation):

객체 생성 방식               | 평균 시간 | 메모리 할당 | 적용 시나리오
Direct Creation             |   850.2  |    2.8MB   | 단순한 객체
Builder Pattern             |   420.1  |    1.2MB   | 복잡한 구성
Prototype Cloning           |   125.3  |    2.8MB   | 유사한 객체 대량 생성
Copy-on-Write Prototype     |    45.7  |    0.3MB   | 읽기 위주 작업

결론:
- Prototype이 복잡한 초기화가 필요한 경우 6-7배 빠름
- Copy-on-Write는 메모리 효율성도 뛰어남
- Builder는 구성의 복잡성을 줄여줌
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public class MemoryEfficientPrototype implements Cloneable {
    // 불변 데이터는 공유 가능
    private static final Map<String, byte[]> SHARED_TEMPLATES = new HashMap<>();
    
    private String id;
    private String templateName;
    private Map<String, Object> mutableData;
    
    // 불변 템플릿 데이터는 모든 인스턴스가 공유
    static {
        SHARED_TEMPLATES.put("template1", loadTemplate("template1.dat"));
        SHARED_TEMPLATES.put("template2", loadTemplate("template2.dat"));
        SHARED_TEMPLATES.put("template3", loadTemplate("template3.dat"));
    }
    
    public MemoryEfficientPrototype(String id, String templateName) {
        this.id = id;
        this.templateName = templateName;
        this.mutableData = new HashMap<>();
    }
    
    @Override
    public MemoryEfficientPrototype clone() throws CloneNotSupportedException {
        MemoryEfficientPrototype cloned = (MemoryEfficientPrototype) super.clone();
        
        // 불변 데이터는 공유 - templateName 그대로
        // 가변 데이터만 복사
        cloned.mutableData = new HashMap<>(this.mutableData);
        
        return cloned;
    }
    
    public byte[] getTemplateData() {
        return SHARED_TEMPLATES.get(templateName); // 공유 데이터 사용
    }
    
    public void setMutableProperty(String key, Object value) {
        mutableData.put(key, value);
    }
    
    // 메모리 사용량 계산 유틸리티
    public long estimateMemoryUsage() {
        long baseSize = 32; // 객체 헤더 + 필드 참조들
        baseSize += id.length() * 2; // String 크기 (UTF-16)
        baseSize += templateName.length() * 2;
        baseSize += mutableData.size() * 64; // Map entry 평균 크기
        
        // 공유 템플릿 데이터는 계산에서 제외
        return baseSize;
    }
}

/*
메모리 효율성 비교:

일반적인 복제:
- 객체 1개: 2.5MB (템플릿 데이터 포함)
- 객체 1000개: 2.5GB

메모리 효율적인 복제:
- 객체 1개: 256KB (가변 데이터만)
- 객체 1000개: 256MB + 2.5MB(공유) = 258.5MB

약 10배 메모리 절약!
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// 개발자가 작성하는 코드
@Builder
@Value  // 불변 객체
@AllArgsConstructor(access = AccessLevel.PRIVATE)
public class User {
    String name;
    int age;
    List<String> hobbies;
    Address address;
    
    @Builder.Default
    boolean active = true;
    
    @Singular
    List<String> roles;
}

// Lombok이 자동 생성하는 코드 (일부)
public class User {
    // ... 필드들
    
    public static class UserBuilder {
        private String name;
        private int age;
        private ArrayList<String> hobbies;
        private Address address;
        private boolean active = true;
        private ArrayList<String> roles;
        
        public UserBuilder name(String name) {
            this.name = name;
            return this;
        }
        
        public UserBuilder age(int age) {
            this.age = age;
            return this;
        }
        
        public UserBuilder role(String role) {
            if (this.roles == null) this.roles = new ArrayList<>();
            this.roles.add(role);
            return this;
        }
        
        public UserBuilder roles(Collection<? extends String> roles) {
            // ... collection 설정
            return this;
        }
        
        public User build() {
            List<String> hobbies = this.hobbies != null ? 
                Collections.unmodifiableList(this.hobbies) : null;
            List<String> roles = this.roles != null ? 
                Collections.unmodifiableList(this.roles) : Collections.emptyList();
            
            return new User(name, age, hobbies, address, active, roles);
        }
    }
}

// 사용법
User user = User.builder()
    .name("Alice")
    .age(30)
    .role("ADMIN")
    .role("USER")
    .hobby("reading")
    .hobby("swimming")
    .address(Address.builder()
        .street("123 Main St")
        .city("Springfield")
        .build())
    .build();

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// ImmutableList Builder
ImmutableList<String> fruits = ImmutableList.<String>builder()
    .add("apple")
    .add("banana")
    .addAll(Arrays.asList("cherry", "date"))
    .build();

// ImmutableMap Builder with 타입 추론
ImmutableMap<String, Integer> scores = ImmutableMap.<String, Integer>builder()
    .put("Alice", 95)
    .put("Bob", 87)
    .put("Charlie", 92)
    .build();

// 복잡한 중첩 구조 빌더
ImmutableTable<String, String, Double> salesData = ImmutableTable.<String, String, Double>builder()
    .put("Q1", "Product A", 1000.0)
    .put("Q1", "Product B", 1500.0)
    .put("Q2", "Product A", 1200.0)
    .put("Q2", "Product B", 1800.0)
    .build();

// Multimap Builder
ImmutableMultimap<String, String> tagMap = ImmutableMultimap.<String, String>builder()
    .put("java", "programming")
    .put("java", "object-oriented")
    .put("spring", "framework")
    .put("spring", "dependency-injection")
    .build();

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// Java 11+ HttpClient의 세련된 Builder 사용
HttpClient client = HttpClient.newBuilder()
    .version(HttpClient.Version.HTTP_2)
    .connectTimeout(Duration.ofSeconds(10))
    .followRedirects(HttpClient.Redirect.NORMAL)
    .authenticator(Authenticator.getDefault())
    .executor(Executors.newFixedThreadPool(4))
    .build();

HttpRequest request = HttpRequest.newBuilder()
    .uri(URI.create("https://api.example.com/users"))
    .header("Content-Type", "application/json")
    .header("Authorization", "Bearer " + token)
    .timeout(Duration.ofSeconds(30))
    .POST(HttpRequest.BodyPublishers.ofString(jsonBody))
    .build();

// 비동기 처리
CompletableFuture<HttpResponse<String>> response = client.sendAsync(
    request, 
    HttpResponse.BodyHandlers.ofString()
);