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TypeScript ビルダーパターン

型安全なビルダーパターンと Fluent API で、複雑なオブジェクト構築をコンパイル時に検証する

115 分で読めます57,490 文字

TypeScript ビルダーパターン

型安全なビルダーパターンと Fluent API で、複雑なオブジェクト構築をコンパイル時に検証する

この章で学ぶこと

  1. クラシックビルダー -- 段階的にオブジェクトを構築し、不完全な状態でのビルドをコンパイルエラーにする技法
  2. Phantom Type ビルダー -- ジェネリクスのフラグ型で「設定済み/未設定」を追跡する型レベルステートマシン
  3. Fluent API 設計 -- メソッドチェーンの型推論を最大限活用し、IDE 補完と型安全性を両立する方法
  4. Immutable ビルダー -- 各ステップで新しいインスタンスを返し、構築途中の状態を安全に分岐させる技法
  5. テストデータビルダー -- テストコードの可読性を劇的に向上させるファクトリビルダーの実装
  6. 実務での応用 -- クエリビルダー、フォームビルダー、設定オブジェクトビルダーなどの実践的パターン

前提知識

このガイドを読む前に、以下の知識があると理解が深まります:


1. クラシックビルダーパターン

1-1. 基本構造

+-----------+     .setName()     +-------------+
|  Builder  | -----------------> |   Builder   |
| (空の状態) |                    | (name設定済) |
+-----------+                    +-------------+
                                       |
                                  .setEmail()
                                       |
                                       v
                                 +-------------+
                                 |   Builder   |
                                 | (両方設定済) |
                                 +-------------+
                                       |
                                   .build()
                                       |
                                       v
                                 +-------------+
                                 |   User      |
                                 | (完成品)     |
                                 +-------------+
// 構築対象
interface HttpRequest {
  readonly method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE";
  readonly url: string;
  readonly headers: Record<string, string>;
  readonly body?: string;
  readonly timeout: number;
}
 
// ビルダー
class HttpRequestBuilder {
  private method: HttpRequest["method"] = "GET";
  private url = "";
  private headers: Record<string, string> = {};
  private body?: string;
  private timeout = 30000;
 
  setMethod(method: HttpRequest["method"]): this {
    this.method = method;
    return this;
  }
 
  setUrl(url: string): this {
    this.url = url;
    return this;
  }
 
  addHeader(key: string, value: string): this {
    this.headers[key] = value;
    return this;
  }
 
  setBody(body: string): this {
    this.body = body;
    return this;
  }
 
  setTimeout(ms: number): this {
    this.timeout = ms;
    return this;
  }
 
  build(): HttpRequest {
    if (!this.url) throw new Error("URL is required");
    return {
      method: this.method,
      url: this.url,
      headers: { ...this.headers },
      body: this.body,
      timeout: this.timeout,
    };
  }
}
 
// 使用例
const request = new HttpRequestBuilder()
  .setMethod("POST")
  .setUrl("https://api.example.com/users")
  .addHeader("Content-Type", "application/json")
  .setBody(JSON.stringify({ name: "Alice" }))
  .setTimeout(5000)
  .build();

1-2. 問題点 -- ランタイムエラー

// URL を設定し忘れてもコンパイルは通る
const bad = new HttpRequestBuilder()
  .setMethod("POST")
  .build(); // ランタイムエラー: "URL is required"

クラシックビルダーの最大の問題は、必須フィールドの設定忘れがコンパイル時に検出できないことです。これを型システムで解決するのが次のセクションで紹介する Phantom Type ビルダーです。

1-3. バリデーション付きクラシックビルダー

ランタイムでの安全性を高めるため、Result 型と組み合わせたビルダーも実装できます。

import { Result, Ok, Err } from "./result";
 
class ValidatedHttpRequestBuilder {
  private method: HttpRequest["method"] = "GET";
  private url = "";
  private headers: Record<string, string> = {};
  private body?: string;
  private timeout = 30000;
 
  setMethod(method: HttpRequest["method"]): this {
    this.method = method;
    return this;
  }
 
  setUrl(url: string): this {
    this.url = url;
    return this;
  }
 
  addHeader(key: string, value: string): this {
    this.headers[key] = value;
    return this;
  }
 
  setBody(body: string): this {
    this.body = body;
    return this;
  }
 
  setTimeout(ms: number): this {
    this.timeout = ms;
    return this;
  }
 
  // build() が Result を返す
  build(): Result<HttpRequest, BuildError[]> {
    const errors: BuildError[] = [];
 
    if (!this.url) {
      errors.push({ field: "url", message: "URL is required" });
    }
 
    if (this.url && !this.url.startsWith("http")) {
      errors.push({ field: "url", message: "URL must start with http:// or https://" });
    }
 
    if (this.timeout < 0) {
      errors.push({ field: "timeout", message: "Timeout must be non-negative" });
    }
 
    if ((this.method === "POST" || this.method === "PUT") && !this.body) {
      errors.push({ field: "body", message: `Body is required for ${this.method} requests` });
    }
 
    if (errors.length > 0) {
      return Err(errors);
    }
 
    return Ok({
      method: this.method,
      url: this.url,
      headers: { ...this.headers },
      body: this.body,
      timeout: this.timeout,
    });
  }
}
 
interface BuildError {
  field: string;
  message: string;
}
 
// 使用例
const result = new ValidatedHttpRequestBuilder()
  .setMethod("POST")
  .setUrl("https://api.example.com")
  .build();
 
if (isErr(result)) {
  console.error("Build errors:", result.error);
  // [{ field: "body", message: "Body is required for POST requests" }]
} else {
  console.log("Request:", result.value);
}

2. Phantom Type ビルダー(型安全版)

2-1. フラグ型による状態追跡

型パラメータ: Builder<HasUrl, HasMethod>

  Builder<false, false>  -- 初期状態
       |
   .url("...")
       |
       v
  Builder<true, false>   -- URL 設定済み
       |
   .method("POST")
       |
       v
  Builder<true, true>    -- 全て設定済み
       |
   .build()  <-- この型の時だけ呼べる
       |
       v
    HttpRequest
// フラグ型
type True = true;
type False = false;
 
// Phantom Type ビルダー
class RequestBuilder<
  HasUrl extends boolean = false,
  HasMethod extends boolean = false
> {
  private _url = "";
  private _method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE" = "GET";
  private _headers: Record<string, string> = {};
  private _body?: string;
 
  url(url: string): RequestBuilder<True, HasMethod> {
    this._url = url;
    return this as unknown as RequestBuilder<True, HasMethod>;
  }
 
  method(
    method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE"
  ): RequestBuilder<HasUrl, True> {
    this._method = method;
    return this as unknown as RequestBuilder<HasUrl, True>;
  }
 
  header(key: string, value: string): this {
    this._headers[key] = value;
    return this;
  }
 
  body(body: string): this {
    this._body = body;
    return this;
  }
 
  // build() は HasUrl=true かつ HasMethod=true の時のみ呼び出し可能
  build(this: RequestBuilder<True, True>): HttpRequest {
    return {
      method: this._method,
      url: this._url,
      headers: { ...this._headers },
      body: this._body,
      timeout: 30000,
    };
  }
}
 
// OK: 両方設定済み
const req = new RequestBuilder()
  .url("https://api.example.com")
  .method("POST")
  .header("Authorization", "Bearer token")
  .build(); // コンパイル OK
 
// NG: URL 未設定 -- コンパイルエラー
const bad = new RequestBuilder()
  .method("POST")
  .build();
// Error: The 'this' context of type 'RequestBuilder<false, true>'
//        is not assignable to method's 'this' of type 'RequestBuilder<true, true>'

2-2. 多数の必須フィールドを追跡する Phantom Type

// フィールドごとの設定状態を追跡
interface BuilderState {
  hasUrl: boolean;
  hasMethod: boolean;
  hasAuth: boolean;
}
 
// デフォルト状態
type EmptyState = {
  hasUrl: false;
  hasMethod: false;
  hasAuth: false;
};
 
// 状態を更新するユーティリティ型
type SetField<S extends BuilderState, K extends keyof BuilderState> = {
  [P in keyof BuilderState]: P extends K ? true : S[P];
};
 
// すべてが true であることを確認する型
type AllSet<S extends BuilderState> = S extends {
  hasUrl: true;
  hasMethod: true;
  hasAuth: true;
}
  ? true
  : false;
 
class AdvancedRequestBuilder<S extends BuilderState = EmptyState> {
  private _url = "";
  private _method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE" = "GET";
  private _auth = "";
  private _headers: Record<string, string> = {};
  private _body?: string;
  private _timeout = 30000;
 
  url(url: string): AdvancedRequestBuilder<SetField<S, "hasUrl">> {
    this._url = url;
    return this as unknown as AdvancedRequestBuilder<SetField<S, "hasUrl">>;
  }
 
  method(
    method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE"
  ): AdvancedRequestBuilder<SetField<S, "hasMethod">> {
    this._method = method;
    return this as unknown as AdvancedRequestBuilder<SetField<S, "hasMethod">>;
  }
 
  auth(token: string): AdvancedRequestBuilder<SetField<S, "hasAuth">> {
    this._auth = token;
    return this as unknown as AdvancedRequestBuilder<SetField<S, "hasAuth">>;
  }
 
  header(key: string, value: string): this {
    this._headers[key] = value;
    return this;
  }
 
  body(body: string): this {
    this._body = body;
    return this;
  }
 
  timeout(ms: number): this {
    this._timeout = ms;
    return this;
  }
 
  // AllSet<S> が true の場合のみ build() を呼べる
  build(
    this: AdvancedRequestBuilder<{
      hasUrl: true;
      hasMethod: true;
      hasAuth: true;
    }>
  ): HttpRequest {
    return {
      method: this._method,
      url: this._url,
      headers: {
        ...this._headers,
        Authorization: `Bearer ${this._auth}`,
      },
      body: this._body,
      timeout: this._timeout,
    };
  }
}
 
// OK: 全フィールド設定済み
const req1 = new AdvancedRequestBuilder()
  .url("https://api.example.com")
  .method("POST")
  .auth("my-token")
  .header("Content-Type", "application/json")
  .body(JSON.stringify({ data: "value" }))
  .build(); // コンパイルOK
 
// NG: auth 未設定
const bad1 = new AdvancedRequestBuilder()
  .url("https://api.example.com")
  .method("POST")
  .build(); // コンパイルエラー

2-3. Step Builder(順序強制パターン)

// 各ステップを別々のインターフェースで定義
interface NeedsUrl {
  url(url: string): NeedsMethod;
}
 
interface NeedsMethod {
  method(method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE"): OptionalConfig;
}
 
interface OptionalConfig {
  header(key: string, value: string): OptionalConfig;
  body(body: string): OptionalConfig;
  timeout(ms: number): OptionalConfig;
  build(): HttpRequest;
}
 
function createRequest(): NeedsUrl {
  const config: Partial<HttpRequest> = { headers: {}, timeout: 30000 };
 
  const optionalConfig: OptionalConfig = {
    header(key, value) {
      (config.headers as Record<string, string>)[key] = value;
      return optionalConfig;
    },
    body(body) {
      config.body = body;
      return optionalConfig;
    },
    timeout(ms) {
      config.timeout = ms;
      return optionalConfig;
    },
    build() {
      return config as HttpRequest;
    },
  };
 
  return {
    url(url) {
      config.url = url;
      return {
        method(method) {
          config.method = method;
          return optionalConfig;
        },
      };
    },
  };
}
 
// 順序が強制される
const req = createRequest()
  .url("https://api.example.com")    // 1. まず URL
  .method("POST")                     // 2. 次に method
  .header("Content-Type", "json")     // 3. 以降は自由
  .build();

2-4. 条件付きメソッドの型制約

// HTTP メソッドに応じて body の有無を型で制御する
interface GetBuilder {
  header(key: string, value: string): GetBuilder;
  query(params: Record<string, string>): GetBuilder;
  build(): HttpRequest;
  // body() は存在しない -- GET リクエストにはボディなし
}
 
interface PostBuilder {
  header(key: string, value: string): PostBuilder;
  body(body: string): PostBuilder;
  json<T>(data: T): PostBuilder;
  build(): HttpRequest;
}
 
interface MethodSelector {
  get(): GetBuilder;
  post(): PostBuilder;
  put(): PostBuilder;
  delete(): GetBuilder;
}
 
function request(url: string): MethodSelector {
  const config: Partial<HttpRequest> & { query?: Record<string, string> } = {
    url,
    headers: {},
    timeout: 30000,
  };
 
  const getBuilder: GetBuilder = {
    header(key, value) {
      (config.headers as Record<string, string>)[key] = value;
      return getBuilder;
    },
    query(params) {
      config.query = params;
      return getBuilder;
    },
    build() {
      let url = config.url!;
      if (config.query) {
        const qs = new URLSearchParams(config.query).toString();
        url += `?${qs}`;
      }
      return { ...config, url, method: config.method! } as HttpRequest;
    },
  };
 
  const postBuilder: PostBuilder = {
    header(key, value) {
      (config.headers as Record<string, string>)[key] = value;
      return postBuilder;
    },
    body(body) {
      config.body = body;
      return postBuilder;
    },
    json<T>(data: T) {
      (config.headers as Record<string, string>)["Content-Type"] = "application/json";
      config.body = JSON.stringify(data);
      return postBuilder;
    },
    build() {
      return { ...config, method: config.method! } as HttpRequest;
    },
  };
 
  return {
    get() {
      config.method = "GET";
      return getBuilder;
    },
    post() {
      config.method = "POST";
      return postBuilder;
    },
    put() {
      config.method = "PUT";
      return postBuilder;
    },
    delete() {
      config.method = "DELETE";
      return getBuilder;
    },
  };
}
 
// GET リクエスト: body() は呼べない
const getReq = request("https://api.example.com/users")
  .get()
  .header("Accept", "application/json")
  .query({ page: "1", limit: "20" })
  .build();
 
// POST リクエスト: json() が使える
const postReq = request("https://api.example.com/users")
  .post()
  .json({ name: "Alice", email: "alice@example.com" })
  .build();

3. Fluent API の型推論テクニック

3-1. Mapped Types で動的にメソッドを生成

type QueryBuilder<T extends Record<string, unknown>> = {
  [K in keyof T & string as `where${Capitalize<K>}`]: (
    value: T[K]
  ) => QueryBuilder<T>;
} & {
  orderBy(field: keyof T, direction?: "asc" | "desc"): QueryBuilder<T>;
  limit(n: number): QueryBuilder<T>;
  execute(): Promise<T[]>;
};
 
// 使用例の型
interface User {
  id: number;
  name: string;
  email: string;
  age: number;
}
 
// QueryBuilder<User> は自動的に以下のメソッドを持つ:
// - whereId(value: number)
// - whereName(value: string)
// - whereEmail(value: string)
// - whereAge(value: number)
// - orderBy(field: keyof User, direction?)
// - limit(n: number)
// - execute(): Promise<User[]>

3-2. Template Literal Types による SQL ビルダー

// 型レベルで SELECT 文を構築
type SelectFields<T, Fields extends (keyof T)[]> = Pick<T, Fields[number]>;
 
class TypedQueryBuilder<
  T extends Record<string, unknown>,
  Selected extends (keyof T)[] = []
> {
  private fields: string[] = [];
  private conditions: string[] = [];
 
  select<F extends keyof T>(
    ...fields: F[]
  ): TypedQueryBuilder<T, [...Selected, ...F[]]> {
    this.fields.push(...(fields as string[]));
    return this as unknown as TypedQueryBuilder<T, [...Selected, ...F[]]>;
  }
 
  where<K extends keyof T>(
    field: K,
    op: "=" | ">" | "<" | "!=",
    value: T[K]
  ): this {
    this.conditions.push(`${String(field)} ${op} ${JSON.stringify(value)}`);
    return this;
  }
 
  async execute(): Promise<SelectFields<T, Selected>[]> {
    const sql = `SELECT ${this.fields.join(", ")} FROM ...`;
    console.log(sql);
    return [] as SelectFields<T, Selected>[];
  }
}
 
// 使用例
const users = await new TypedQueryBuilder<User>()
  .select("name", "email")  // Selected = ["name", "email"]
  .where("age", ">", 18)
  .execute();
// users の型: Pick<User, "name" | "email">[]

3-3. 条件付きメソッド表示(Conditional Types)

// 設定状態に応じてメソッドの可視性を制御
type ConditionalBuilder<
  T,
  State extends Record<string, boolean>
> = {
  // 常に利用可能なメソッド
  reset(): ConditionalBuilder<T, Record<string, false>>;
} & (State extends { hasSelect: true }
  ? {
      // select 後のみ利用可能
      where(condition: string): ConditionalBuilder<T, State & { hasWhere: true }>;
      orderBy(field: keyof T): ConditionalBuilder<T, State>;
    }
  : {
      // select 前のみ利用可能
      select(...fields: (keyof T)[]): ConditionalBuilder<T, State & { hasSelect: true }>;
    }) &
  (State extends { hasSelect: true }
    ? {
        execute(): Promise<T[]>;
      }
    : {});
 
// このパターンにより:
// 1. select() を呼ぶ前は where() が表示されない
// 2. select() を呼んだ後は再度 select() が表示されない
// 3. execute() は select() を呼んだ後のみ表示される

3-4. Fluent API によるバリデーションルールビルダー

// バリデーションルールを型安全に構築する Fluent API
type Validator<T> = {
  validate(value: unknown): Result<T, ValidationError[]>;
};
 
class StringValidatorBuilder {
  private rules: Array<{
    check: (value: string) => boolean;
    message: string;
  }> = [];
  private _optional = false;
 
  min(length: number): this {
    this.rules.push({
      check: (v) => v.length >= length,
      message: `${length}文字以上で入力してください`,
    });
    return this;
  }
 
  max(length: number): this {
    this.rules.push({
      check: (v) => v.length <= length,
      message: `${length}文字以内で入力してください`,
    });
    return this;
  }
 
  pattern(regex: RegExp, message: string): this {
    this.rules.push({
      check: (v) => regex.test(v),
      message,
    });
    return this;
  }
 
  email(): this {
    return this.pattern(
      /^[^\s@]+@[^\s@]+\.[^\s@]+$/,
      "有効なメールアドレスを入力してください"
    );
  }
 
  url(): this {
    return this.pattern(
      /^https?:\/\/[^\s]+$/,
      "有効なURLを入力してください"
    );
  }
 
  optional(): this {
    this._optional = true;
    return this;
  }
 
  custom(check: (value: string) => boolean, message: string): this {
    this.rules.push({ check, message });
    return this;
  }
 
  build(): Validator<string> {
    const rules = [...this.rules];
    const optional = this._optional;
 
    return {
      validate(value: unknown): Result<string, ValidationError[]> {
        if (value === undefined || value === null || value === "") {
          if (optional) return Ok("");
          return Err([{ field: "", message: "この項目は必須です" }]);
        }
 
        if (typeof value !== "string") {
          return Err([{ field: "", message: "文字列を入力してください" }]);
        }
 
        const errors: ValidationError[] = [];
        for (const rule of rules) {
          if (!rule.check(value)) {
            errors.push({ field: "", message: rule.message });
          }
        }
 
        return errors.length > 0 ? Err(errors) : Ok(value);
      },
    };
  }
}
 
// 使用例
const emailValidator = new StringValidatorBuilder()
  .min(1)
  .max(255)
  .email()
  .build();
 
const result = emailValidator.validate("test@example.com");

3-5. メソッドチェーンの型推論と IDE 体験

// 設定オブジェクトの型安全なビルダー
type DeepPartial<T> = {
  [P in keyof T]?: T[P] extends object ? DeepPartial<T[P]> : T[P];
};
 
interface AppConfig {
  server: {
    host: string;
    port: number;
    cors: {
      origins: string[];
      credentials: boolean;
    };
  };
  database: {
    host: string;
    port: number;
    name: string;
    pool: {
      min: number;
      max: number;
    };
  };
  logging: {
    level: "debug" | "info" | "warn" | "error";
    format: "json" | "text";
  };
}
 
class ConfigBuilder {
  private config: DeepPartial<AppConfig> = {};
 
  server(fn: (builder: ServerConfigBuilder) => ServerConfigBuilder): this {
    const serverBuilder = new ServerConfigBuilder();
    fn(serverBuilder);
    this.config.server = serverBuilder.getConfig();
    return this;
  }
 
  database(fn: (builder: DatabaseConfigBuilder) => DatabaseConfigBuilder): this {
    const dbBuilder = new DatabaseConfigBuilder();
    fn(dbBuilder);
    this.config.database = dbBuilder.getConfig();
    return this;
  }
 
  logging(level: AppConfig["logging"]["level"], format?: AppConfig["logging"]["format"]): this {
    this.config.logging = { level, format: format ?? "json" };
    return this;
  }
 
  build(): AppConfig {
    // 必須フィールドの検証
    if (!this.config.server?.host) throw new Error("server.host is required");
    if (!this.config.server?.port) throw new Error("server.port is required");
    if (!this.config.database?.host) throw new Error("database.host is required");
    if (!this.config.database?.name) throw new Error("database.name is required");
 
    return this.config as AppConfig;
  }
}
 
class ServerConfigBuilder {
  private config: DeepPartial<AppConfig["server"]> = {};
 
  host(host: string): this {
    this.config.host = host;
    return this;
  }
 
  port(port: number): this {
    this.config.port = port;
    return this;
  }
 
  cors(origins: string[], credentials = false): this {
    this.config.cors = { origins, credentials };
    return this;
  }
 
  getConfig(): DeepPartial<AppConfig["server"]> {
    return this.config;
  }
}
 
class DatabaseConfigBuilder {
  private config: DeepPartial<AppConfig["database"]> = {};
 
  host(host: string): this {
    this.config.host = host;
    return this;
  }
 
  port(port: number): this {
    this.config.port = port;
    return this;
  }
 
  name(name: string): this {
    this.config.name = name;
    return this;
  }
 
  pool(min: number, max: number): this {
    this.config.pool = { min, max };
    return this;
  }
 
  getConfig(): DeepPartial<AppConfig["database"]> {
    return this.config;
  }
}
 
// 使用例: ネストしたビルダー
const config = new ConfigBuilder()
  .server((s) =>
    s
      .host("0.0.0.0")
      .port(3000)
      .cors(["https://example.com"], true)
  )
  .database((db) =>
    db
      .host("localhost")
      .port(5432)
      .name("myapp")
      .pool(5, 20)
  )
  .logging("info", "json")
  .build();

4. Immutable ビルダー

4-1. 不変ビルダーの基本

Mutable ビルダー(this を返す)は効率的ですが、途中の状態を保存して分岐させると予期しない結果になります。

// Mutable ビルダーの問題
const baseBuilder = new HttpRequestBuilder()
  .setUrl("https://api.example.com");
 
// 2つのリクエストを分岐して作成したいが...
const getRequest = baseBuilder.setMethod("GET").build();
const postRequest = baseBuilder.setMethod("POST").build(); // GET が POST に上書きされる
 
// 解決: Immutable ビルダー
class ImmutableRequestBuilder<
  HasUrl extends boolean = false,
  HasMethod extends boolean = false
> {
  private constructor(
    private readonly _url: string,
    private readonly _method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE",
    private readonly _headers: Readonly<Record<string, string>>,
    private readonly _body: string | undefined,
    private readonly _timeout: number
  ) {}
 
  static create(): ImmutableRequestBuilder<false, false> {
    return new ImmutableRequestBuilder("", "GET", {}, undefined, 30000);
  }
 
  url(url: string): ImmutableRequestBuilder<true, HasMethod> {
    return new ImmutableRequestBuilder(
      url,
      this._method,
      this._headers,
      this._body,
      this._timeout
    ) as ImmutableRequestBuilder<true, HasMethod>;
  }
 
  method(
    method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE"
  ): ImmutableRequestBuilder<HasUrl, true> {
    return new ImmutableRequestBuilder(
      this._url,
      method,
      this._headers,
      this._body,
      this._timeout
    ) as ImmutableRequestBuilder<HasUrl, true>;
  }
 
  header(key: string, value: string): ImmutableRequestBuilder<HasUrl, HasMethod> {
    return new ImmutableRequestBuilder(
      this._url,
      this._method,
      { ...this._headers, [key]: value },
      this._body,
      this._timeout
    ) as ImmutableRequestBuilder<HasUrl, HasMethod>;
  }
 
  body(body: string): ImmutableRequestBuilder<HasUrl, HasMethod> {
    return new ImmutableRequestBuilder(
      this._url,
      this._method,
      this._headers,
      body,
      this._timeout
    ) as ImmutableRequestBuilder<HasUrl, HasMethod>;
  }
 
  timeout(ms: number): ImmutableRequestBuilder<HasUrl, HasMethod> {
    return new ImmutableRequestBuilder(
      this._url,
      this._method,
      this._headers,
      this._body,
      ms
    ) as ImmutableRequestBuilder<HasUrl, HasMethod>;
  }
 
  build(this: ImmutableRequestBuilder<true, true>): HttpRequest {
    return {
      method: this._method,
      url: this._url,
      headers: { ...this._headers },
      body: this._body,
      timeout: this._timeout,
    };
  }
}
 
// 安全に分岐できる
const base = ImmutableRequestBuilder.create()
  .url("https://api.example.com")
  .header("Accept", "application/json");
 
const getReq = base.method("GET").build();       // GET リクエスト
const postReq = base.method("POST")              // POST リクエスト
  .body(JSON.stringify({ name: "Alice" }))
  .build();
// base は変更されていない

4-2. Record-based Immutable ビルダー

// よりシンプルな不変ビルダーの実装
type RequiredKeys = "url" | "method";
type BuilderConfig = {
  url?: string;
  method?: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE";
  headers?: Record<string, string>;
  body?: string;
  timeout?: number;
};
 
type HasRequired<
  Config extends BuilderConfig,
  Keys extends string
> = Keys extends keyof Config
  ? Config[Keys] extends undefined
    ? false
    : true
  : false;
 
function createBuilder(config: BuilderConfig = {}) {
  const builder = {
    url: (url: string) => createBuilder({ ...config, url }),
    method: (method: "GET" | "POST" | "PUT" | "DELETE") =>
      createBuilder({ ...config, method }),
    header: (key: string, value: string) =>
      createBuilder({
        ...config,
        headers: { ...(config.headers ?? {}), [key]: value },
      }),
    body: (body: string) => createBuilder({ ...config, body }),
    timeout: (ms: number) => createBuilder({ ...config, timeout: ms }),
    build: (): HttpRequest => {
      if (!config.url) throw new Error("url is required");
      if (!config.method) throw new Error("method is required");
      return {
        url: config.url,
        method: config.method,
        headers: config.headers ?? {},
        body: config.body,
        timeout: config.timeout ?? 30000,
      };
    },
  };
 
  return builder;
}
 
// 使用例
const req = createBuilder()
  .url("https://api.example.com")
  .method("POST")
  .header("Content-Type", "application/json")
  .body(JSON.stringify({ name: "Alice" }))
  .build();

4-3. ジェネリクスを使った汎用 Immutable ビルダー

// 汎用的な型安全 Immutable ビルダー
type Builder<
  Target,
  Required extends keyof Target,
  Set extends keyof Target = never
> = {
  [K in keyof Target]-?: (
    value: Target[K]
  ) => Builder<Target, Required, Set | K>;
} & (Required extends Set
  ? { build(): Readonly<Target> }
  : {});
 
function createTypedBuilder<
  Target extends Record<string, unknown>,
  Required extends keyof Target = never
>(
  defaults?: Partial<Target>,
  requiredKeys?: Required[]
): Builder<Target, Required> {
  const config: Partial<Target> = { ...(defaults ?? {}) };
 
  const handler: ProxyHandler<any> = {
    get(_, prop: string) {
      if (prop === "build") {
        return () => ({ ...config }) as Target;
      }
      return (value: unknown) => {
        const newConfig = { ...config, [prop]: value };
        return new Proxy({}, {
          get(_, prop: string) {
            if (prop === "build") {
              return () => ({ ...newConfig }) as Target;
            }
            return (value: unknown) => {
              return createTypedBuilder<Target, Required>({
                ...newConfig,
                [prop]: value,
              } as Partial<Target>);
            };
          },
        });
      };
    },
  };
 
  return new Proxy({}, handler) as Builder<Target, Required>;
}
 
// 使用例
interface EmailMessage {
  to: string;
  from: string;
  subject: string;
  body: string;
  cc?: string[];
  bcc?: string[];
  replyTo?: string;
}
 
const emailBuilder = createTypedBuilder<EmailMessage, "to" | "from" | "subject" | "body">();

5. テストデータビルダー

5-1. 基本的なテストデータビルダー

テストデータ生成フロー:

  UserBuilder.create()
       |
  .withDefaults()     <- 合理的なデフォルト値
       |
  .withName("Alice")  <- テストに必要な値だけ上書き
       |
  .withPosts(3)       <- リレーション生成
       |
  .build()
       |
       v
  { id: "uuid-1", name: "Alice", email: "alice@test.com",
    posts: [Post, Post, Post] }
// テストデータ用ビルダー
class UserBuilder {
  private data: User = {
    id: crypto.randomUUID(),
    name: "Test User",
    email: "test@example.com",
    age: 25,
    role: "user",
    createdAt: new Date(),
  };
 
  static create(): UserBuilder {
    return new UserBuilder();
  }
 
  withName(name: string): this {
    this.data.name = name;
    return this;
  }
 
  withEmail(email: string): this {
    this.data.email = email;
    return this;
  }
 
  withAge(age: number): this {
    this.data.age = age;
    return this;
  }
 
  withRole(role: "user" | "admin"): this {
    this.data.role = role;
    return this;
  }
 
  build(): User {
    return { ...this.data };
  }
 
  async persist(db: Database): Promise<User> {
    const user = this.build();
    await db.users.insert(user);
    return user;
  }
}
 
// テストでの使用
describe("UserService", () => {
  it("should allow admin to delete users", async () => {
    const admin = UserBuilder.create().withRole("admin").build();
    const target = UserBuilder.create().withName("Bob").build();
 
    const result = await userService.deleteUser(admin.id, target.id);
    expect(result).toBeOk();
  });
});

5-2. 関連エンティティ付きテストデータビルダー

// ─── 各エンティティのビルダー ───
 
interface Post {
  id: string;
  title: string;
  content: string;
  authorId: string;
  status: "draft" | "published" | "archived";
  tags: string[];
  createdAt: Date;
  updatedAt: Date;
}
 
interface Comment {
  id: string;
  postId: string;
  authorId: string;
  content: string;
  createdAt: Date;
}
 
class PostBuilder {
  private data: Post = {
    id: crypto.randomUUID(),
    title: "Test Post",
    content: "This is a test post content.",
    authorId: "",
    status: "draft",
    tags: [],
    createdAt: new Date(),
    updatedAt: new Date(),
  };
 
  static create(): PostBuilder {
    return new PostBuilder();
  }
 
  withTitle(title: string): this {
    this.data.title = title;
    return this;
  }
 
  withContent(content: string): this {
    this.data.content = content;
    return this;
  }
 
  withAuthor(authorId: string): this {
    this.data.authorId = authorId;
    return this;
  }
 
  withStatus(status: Post["status"]): this {
    this.data.status = status;
    return this;
  }
 
  withTags(...tags: string[]): this {
    this.data.tags = tags;
    return this;
  }
 
  published(): this {
    this.data.status = "published";
    return this;
  }
 
  archived(): this {
    this.data.status = "archived";
    return this;
  }
 
  build(): Post {
    return { ...this.data };
  }
}
 
class CommentBuilder {
  private data: Comment = {
    id: crypto.randomUUID(),
    postId: "",
    authorId: "",
    content: "Test comment",
    createdAt: new Date(),
  };
 
  static create(): CommentBuilder {
    return new CommentBuilder();
  }
 
  forPost(postId: string): this {
    this.data.postId = postId;
    return this;
  }
 
  byAuthor(authorId: string): this {
    this.data.authorId = authorId;
    return this;
  }
 
  withContent(content: string): this {
    this.data.content = content;
    return this;
  }
 
  build(): Comment {
    return { ...this.data };
  }
}
 
// ─── シナリオビルダー: 複数のエンティティを一括生成 ───
 
interface BlogScenario {
  users: User[];
  posts: Post[];
  comments: Comment[];
}
 
class BlogScenarioBuilder {
  private users: User[] = [];
  private posts: Post[] = [];
  private comments: Comment[] = [];
 
  static create(): BlogScenarioBuilder {
    return new BlogScenarioBuilder();
  }
 
  withUser(
    configurator?: (builder: UserBuilder) => UserBuilder
  ): this {
    const builder = UserBuilder.create();
    const user = configurator ? configurator(builder).build() : builder.build();
    this.users.push(user);
    return this;
  }
 
  withPost(
    authorIndex: number,
    configurator?: (builder: PostBuilder) => PostBuilder
  ): this {
    const author = this.users[authorIndex];
    if (!author) throw new Error(`User at index ${authorIndex} not found`);
 
    const builder = PostBuilder.create().withAuthor(author.id);
    const post = configurator ? configurator(builder).build() : builder.build();
    this.posts.push(post);
    return this;
  }
 
  withComment(
    postIndex: number,
    authorIndex: number,
    content?: string
  ): this {
    const post = this.posts[postIndex];
    const author = this.users[authorIndex];
    if (!post) throw new Error(`Post at index ${postIndex} not found`);
    if (!author) throw new Error(`User at index ${authorIndex} not found`);
 
    const comment = CommentBuilder.create()
      .forPost(post.id)
      .byAuthor(author.id)
      .withContent(content ?? "Test comment")
      .build();
    this.comments.push(comment);
    return this;
  }
 
  build(): BlogScenario {
    return {
      users: [...this.users],
      posts: [...this.posts],
      comments: [...this.comments],
    };
  }
 
  async persist(db: Database): Promise<BlogScenario> {
    const scenario = this.build();
    await db.users.insertMany(scenario.users);
    await db.posts.insertMany(scenario.posts);
    await db.comments.insertMany(scenario.comments);
    return scenario;
  }
}
 
// テストでの使用
describe("Blog API", () => {
  it("should return published posts with comments", async () => {
    const scenario = BlogScenarioBuilder.create()
      .withUser((u) => u.withName("Alice").withRole("admin"))
      .withUser((u) => u.withName("Bob"))
      .withPost(0, (p) => p.withTitle("Hello World").published().withTags("typescript", "testing"))
      .withPost(0, (p) => p.withTitle("Draft Post"))  // draft
      .withComment(0, 1, "Great post!")
      .withComment(0, 0, "Thanks!")
      .build();
 
    await persistScenario(scenario);
 
    const response = await api.get("/posts?status=published");
    expect(response.body).toHaveLength(1);
    expect(response.body[0].title).toBe("Hello World");
    expect(response.body[0].comments).toHaveLength(2);
  });
});

5-3. ファクトリ関数パターン(軽量テストデータ生成)

// ビルダークラスを使わず、関数だけでテストデータを生成する軽量パターン
 
// カウンタ付きファクトリ
let userCounter = 0;
function createTestUser(overrides: Partial<User> = {}): User {
  userCounter++;
  return {
    id: `user-${userCounter}`,
    name: `User ${userCounter}`,
    email: `user${userCounter}@test.com`,
    age: 25,
    role: "user",
    createdAt: new Date(),
    ...overrides,
  };
}
 
let postCounter = 0;
function createTestPost(overrides: Partial<Post> = {}): Post {
  postCounter++;
  return {
    id: `post-${postCounter}`,
    title: `Post ${postCounter}`,
    content: `Content of post ${postCounter}`,
    authorId: `user-1`,
    status: "draft",
    tags: [],
    createdAt: new Date(),
    updatedAt: new Date(),
    ...overrides,
  };
}
 
// 使用例
describe("PostService", () => {
  it("should publish a draft post", async () => {
    const author = createTestUser({ role: "admin" });
    const post = createTestPost({ authorId: author.id, status: "draft" });
 
    const result = await postService.publish(author.id, post.id);
    expect(result).toBeOk();
  });
});
 
// ─── faker.js との統合 ───
import { faker } from "@faker-js/faker";
 
function createRealisticUser(overrides: Partial<User> = {}): User {
  return {
    id: faker.string.uuid(),
    name: faker.person.fullName(),
    email: faker.internet.email(),
    age: faker.number.int({ min: 18, max: 80 }),
    role: faker.helpers.arrayElement(["user", "admin"]),
    createdAt: faker.date.past(),
    ...overrides,
  };
}
 
function createRealisticPost(overrides: Partial<Post> = {}): Post {
  return {
    id: faker.string.uuid(),
    title: faker.lorem.sentence(),
    content: faker.lorem.paragraphs(3),
    authorId: faker.string.uuid(),
    status: faker.helpers.arrayElement(["draft", "published", "archived"]),
    tags: faker.helpers.arrayElements(
      ["typescript", "javascript", "react", "nodejs", "testing"],
      { min: 1, max: 3 }
    ),
    createdAt: faker.date.past(),
    updatedAt: faker.date.recent(),
    ...overrides,
  };
}

5-4. 型安全なテストデータビルダージェネリクス

// 任意のインターフェースに対応する汎用テストデータビルダー
type WithMethods<T> = {
  [K in keyof T as `with${Capitalize<string & K>}`]: (
    value: T[K]
  ) => WithMethods<T> & { build(): T };
} & {
  build(): T;
};
 
function createTestDataBuilder<T extends Record<string, unknown>>(
  defaults: T
): WithMethods<T> {
  const data = { ...defaults };
 
  const handler: ProxyHandler<any> = {
    get(_, prop: string) {
      if (prop === "build") {
        return () => ({ ...data });
      }
      if (prop.startsWith("with")) {
        const fieldName =
          prop.charAt(4).toLowerCase() + prop.slice(5);
        return (value: unknown) => {
          (data as any)[fieldName] = value;
          return new Proxy({}, handler);
        };
      }
      return undefined;
    },
  };
 
  return new Proxy({}, handler) as WithMethods<T>;
}
 
// 使用例
const userBuilder = createTestDataBuilder<User>({
  id: "test-id",
  name: "Default User",
  email: "default@test.com",
  age: 25,
  role: "user",
  createdAt: new Date(),
});
 
const user = userBuilder
  .withName("Custom Name")
  .withAge(30)
  .withRole("admin")
  .build();
// => { id: "test-id", name: "Custom Name", email: "default@test.com", age: 30, role: "admin", ... }

6. 実務での応用例

6-1. ORM スタイルのクエリビルダー

// Prisma 風の型安全クエリビルダー
interface WhereClause<T> {
  equals?: T;
  not?: T;
  in?: T[];
  notIn?: T[];
  gt?: T;
  gte?: T;
  lt?: T;
  lte?: T;
  contains?: T extends string ? string : never;
  startsWith?: T extends string ? string : never;
  endsWith?: T extends string ? string : never;
}
 
type WhereInput<T> = {
  [K in keyof T]?: T[K] | WhereClause<T[K]>;
} & {
  AND?: WhereInput<T>[];
  OR?: WhereInput<T>[];
  NOT?: WhereInput<T>;
};
 
type OrderByInput<T> = {
  [K in keyof T]?: "asc" | "desc";
};
 
interface FindManyArgs<T> {
  where?: WhereInput<T>;
  orderBy?: OrderByInput<T> | OrderByInput<T>[];
  skip?: number;
  take?: number;
  select?: { [K in keyof T]?: boolean };
  include?: Record<string, boolean>;
}
 
class TypeSafeQueryBuilder<T extends Record<string, unknown>> {
  private args: FindManyArgs<T> = {};
 
  where(condition: WhereInput<T>): this {
    this.args.where = { ...this.args.where, ...condition };
    return this;
  }
 
  orderBy(field: keyof T, direction: "asc" | "desc" = "asc"): this {
    this.args.orderBy = { [field]: direction } as OrderByInput<T>;
    return this;
  }
 
  skip(count: number): this {
    this.args.skip = count;
    return this;
  }
 
  take(count: number): this {
    this.args.take = count;
    return this;
  }
 
  select<K extends keyof T>(...fields: K[]): this {
    const select = {} as { [P in keyof T]?: boolean };
    for (const field of fields) {
      select[field] = true;
    }
    this.args.select = select;
    return this;
  }
 
  getArgs(): FindManyArgs<T> {
    return { ...this.args };
  }
}
 
// 使用例
interface Product {
  id: string;
  name: string;
  price: number;
  category: string;
  stock: number;
  createdAt: Date;
}
 
const query = new TypeSafeQueryBuilder<Product>()
  .where({
    category: "electronics",
    price: { lte: 10000 },
    stock: { gt: 0 },
  })
  .orderBy("price", "asc")
  .skip(0)
  .take(20)
  .select("id", "name", "price")
  .getArgs();

6-2. フォームビルダー(React 統合)

// React フォーム用の型安全ビルダー
interface FormFieldConfig<T> {
  name: keyof T;
  label: string;
  type: "text" | "number" | "email" | "password" | "select" | "textarea" | "checkbox";
  placeholder?: string;
  required?: boolean;
  options?: Array<{ value: string; label: string }>;
  validation?: (value: unknown) => string | undefined;
  defaultValue?: T[keyof T];
}
 
class FormBuilder<T extends Record<string, unknown>> {
  private fields: FormFieldConfig<T>[] = [];
  private _onSubmit?: (data: T) => void | Promise<void>;
 
  field<K extends keyof T & string>(
    name: K,
    config: Omit<FormFieldConfig<T>, "name"> & { type: FormFieldConfig<T>["type"] }
  ): this {
    this.fields.push({ ...config, name } as FormFieldConfig<T>);
    return this;
  }
 
  text<K extends keyof T & string>(
    name: K,
    label: string,
    options?: Partial<FormFieldConfig<T>>
  ): this {
    return this.field(name, { label, type: "text", ...options });
  }
 
  email<K extends keyof T & string>(name: K, label: string): this {
    return this.field(name, {
      label,
      type: "email",
      validation: (v) => {
        if (typeof v === "string" && !/^[^\s@]+@[^\s@]+\.[^\s@]+$/.test(v)) {
          return "有効なメールアドレスを入力してください";
        }
        return undefined;
      },
    });
  }
 
  password<K extends keyof T & string>(name: K, label: string): this {
    return this.field(name, { label, type: "password" });
  }
 
  number<K extends keyof T & string>(
    name: K,
    label: string,
    options?: { min?: number; max?: number }
  ): this {
    return this.field(name, {
      label,
      type: "number",
      validation: (v) => {
        const num = Number(v);
        if (isNaN(num)) return "数値を入力してください";
        if (options?.min !== undefined && num < options.min) {
          return `${options.min}以上の値を入力してください`;
        }
        if (options?.max !== undefined && num > options.max) {
          return `${options.max}以下の値を入力してください`;
        }
        return undefined;
      },
    });
  }
 
  select<K extends keyof T & string>(
    name: K,
    label: string,
    options: Array<{ value: string; label: string }>
  ): this {
    return this.field(name, { label, type: "select", options });
  }
 
  onSubmit(handler: (data: T) => void | Promise<void>): this {
    this._onSubmit = handler;
    return this;
  }
 
  build() {
    return {
      fields: [...this.fields],
      onSubmit: this._onSubmit,
    };
  }
}
 
// 使用例
interface UserForm {
  name: string;
  email: string;
  age: number;
  role: string;
}
 
const formConfig = new FormBuilder<UserForm>()
  .text("name", "名前", { required: true, placeholder: "山田太郎" })
  .email("email", "メールアドレス")
  .number("age", "年齢", { min: 0, max: 150 })
  .select("role", "役割", [
    { value: "user", label: "一般ユーザー" },
    { value: "admin", label: "管理者" },
  ])
  .onSubmit(async (data) => {
    await api.post("/users", data);
  })
  .build();

6-3. メール送信ビルダー

interface EmailConfig {
  to: string[];
  cc?: string[];
  bcc?: string[];
  from: string;
  replyTo?: string;
  subject: string;
  text?: string;
  html?: string;
  attachments?: Array<{
    filename: string;
    content: Buffer | string;
    contentType?: string;
  }>;
  priority?: "high" | "normal" | "low";
  headers?: Record<string, string>;
}
 
class EmailBuilder<
  HasTo extends boolean = false,
  HasFrom extends boolean = false,
  HasSubject extends boolean = false,
  HasBody extends boolean = false
> {
  private config: Partial<EmailConfig> = {
    to: [],
    cc: [],
    bcc: [],
    attachments: [],
    priority: "normal",
  };
 
  to(...addresses: string[]): EmailBuilder<true, HasFrom, HasSubject, HasBody> {
    this.config.to = addresses;
    return this as any;
  }
 
  cc(...addresses: string[]): this {
    this.config.cc = addresses;
    return this;
  }
 
  bcc(...addresses: string[]): this {
    this.config.bcc = addresses;
    return this;
  }
 
  from(address: string): EmailBuilder<HasTo, true, HasSubject, HasBody> {
    this.config.from = address;
    return this as any;
  }
 
  replyTo(address: string): this {
    this.config.replyTo = address;
    return this;
  }
 
  subject(subject: string): EmailBuilder<HasTo, HasFrom, true, HasBody> {
    this.config.subject = subject;
    return this as any;
  }
 
  text(content: string): EmailBuilder<HasTo, HasFrom, HasSubject, true> {
    this.config.text = content;
    return this as any;
  }
 
  html(content: string): EmailBuilder<HasTo, HasFrom, HasSubject, true> {
    this.config.html = content;
    return this as any;
  }
 
  attach(
    filename: string,
    content: Buffer | string,
    contentType?: string
  ): this {
    this.config.attachments!.push({ filename, content, contentType });
    return this;
  }
 
  priority(level: "high" | "normal" | "low"): this {
    this.config.priority = level;
    return this;
  }
 
  // 全必須フィールドが設定済みの場合のみ build 可能
  build(
    this: EmailBuilder<true, true, true, true>
  ): EmailConfig {
    return { ...this.config } as EmailConfig;
  }
 
  // 送信まで一気に行う
  async send(
    this: EmailBuilder<true, true, true, true>,
    transporter: EmailTransporter
  ): Promise<Result<void, EmailError>> {
    const config = this.build();
    return transporter.send(config);
  }
}
 
// 使用例
const email = new EmailBuilder()
  .to("alice@example.com", "bob@example.com")
  .from("noreply@myapp.com")
  .subject("注文確認")
  .html("<h1>ご注文ありがとうございます</h1><p>注文番号: #12345</p>")
  .attach("invoice.pdf", invoiceBuffer, "application/pdf")
  .priority("high")
  .build();
 
// 必須フィールドが不足: コンパイルエラー
const incomplete = new EmailBuilder()
  .to("alice@example.com")
  .subject("テスト")
  .build(); // Error: from と body が未設定

6-4. CLI コマンドビルダー

// CLI コマンドの型安全な構築
interface CommandConfig {
  name: string;
  description: string;
  args: Array<{
    name: string;
    description: string;
    required: boolean;
    type: "string" | "number" | "boolean";
    default?: unknown;
  }>;
  options: Array<{
    long: string;
    short?: string;
    description: string;
    type: "string" | "number" | "boolean";
    default?: unknown;
    required?: boolean;
  }>;
  handler: (args: Record<string, unknown>, options: Record<string, unknown>) => void | Promise<void>;
}
 
class CommandBuilder {
  private config: Partial<CommandConfig> = {
    args: [],
    options: [],
  };
 
  name(name: string): this {
    this.config.name = name;
    return this;
  }
 
  description(desc: string): this {
    this.config.description = desc;
    return this;
  }
 
  argument(
    name: string,
    description: string,
    options?: { required?: boolean; type?: "string" | "number" | "boolean"; default?: unknown }
  ): this {
    this.config.args!.push({
      name,
      description,
      required: options?.required ?? true,
      type: options?.type ?? "string",
      default: options?.default,
    });
    return this;
  }
 
  option(
    long: string,
    description: string,
    options?: {
      short?: string;
      type?: "string" | "number" | "boolean";
      default?: unknown;
      required?: boolean;
    }
  ): this {
    this.config.options!.push({
      long,
      description,
      short: options?.short,
      type: options?.type ?? "string",
      default: options?.default,
      required: options?.required,
    });
    return this;
  }
 
  handler(
    fn: (args: Record<string, unknown>, options: Record<string, unknown>) => void | Promise<void>
  ): this {
    this.config.handler = fn;
    return this;
  }
 
  build(): CommandConfig {
    if (!this.config.name) throw new Error("Command name is required");
    if (!this.config.handler) throw new Error("Command handler is required");
    return this.config as CommandConfig;
  }
}
 
// 使用例
const deployCommand = new CommandBuilder()
  .name("deploy")
  .description("アプリケーションをデプロイする")
  .argument("environment", "デプロイ先の環境", { type: "string" })
  .option("--force", "強制デプロイ", { short: "-f", type: "boolean", default: false })
  .option("--tag", "デプロイするタグ", { short: "-t", type: "string" })
  .option("--timeout", "タイムアウト(秒)", { type: "number", default: 300 })
  .handler(async (args, options) => {
    console.log(`Deploying to ${args.environment}...`);
    if (options.force) console.log("Force mode enabled");
  })
  .build();

6-5. パイプラインビルダー

// データ変換パイプラインの型安全な構築
type TransformFn<In, Out> = (input: In) => Out | Promise<Out>;
 
class PipelineBuilder<TInput, TCurrent = TInput> {
  private steps: Array<TransformFn<any, any>> = [];
 
  static from<T>(): PipelineBuilder<T, T> {
    return new PipelineBuilder();
  }
 
  pipe<TNext>(
    transform: TransformFn<TCurrent, TNext>
  ): PipelineBuilder<TInput, TNext> {
    this.steps.push(transform);
    return this as unknown as PipelineBuilder<TInput, TNext>;
  }
 
  tap(fn: (value: TCurrent) => void): PipelineBuilder<TInput, TCurrent> {
    this.steps.push((value: TCurrent) => {
      fn(value);
      return value;
    });
    return this;
  }
 
  filter(
    predicate: (value: TCurrent) => boolean,
    errorMessage?: string
  ): PipelineBuilder<TInput, TCurrent> {
    this.steps.push((value: TCurrent) => {
      if (!predicate(value)) {
        throw new Error(errorMessage ?? "Filter condition not met");
      }
      return value;
    });
    return this;
  }
 
  build(): (input: TInput) => Promise<TCurrent> {
    const steps = [...this.steps];
    return async (input: TInput) => {
      let result: unknown = input;
      for (const step of steps) {
        result = await step(result);
      }
      return result as TCurrent;
    };
  }
}
 
// 使用例
interface RawOrder {
  items: Array<{ productId: string; quantity: string; price: string }>;
  customerId: string;
  note?: string;
}
 
interface ProcessedOrder {
  items: Array<{ productId: string; quantity: number; price: number; total: number }>;
  customerId: string;
  subtotal: number;
  tax: number;
  total: number;
  note?: string;
}
 
const processOrder = PipelineBuilder.from<RawOrder>()
  .pipe((raw) => ({
    ...raw,
    items: raw.items.map((item) => ({
      productId: item.productId,
      quantity: parseInt(item.quantity, 10),
      price: parseFloat(item.price),
      total: parseInt(item.quantity, 10) * parseFloat(item.price),
    })),
  }))
  .filter(
    (order) => order.items.length > 0,
    "注文には1つ以上の商品が必要です"
  )
  .filter(
    (order) => order.items.every((i) => i.quantity > 0),
    "数量は1以上である必要があります"
  )
  .pipe((order) => {
    const subtotal = order.items.reduce((sum, item) => sum + item.total, 0);
    const tax = Math.round(subtotal * 0.1);
    return {
      ...order,
      subtotal,
      tax,
      total: subtotal + tax,
    } as ProcessedOrder;
  })
  .tap((order) => console.log(`Order total: ${order.total}`))
  .build();
 
// 実行
const result = await processOrder({
  items: [
    { productId: "p1", quantity: "2", price: "1000" },
    { productId: "p2", quantity: "1", price: "2500" },
  ],
  customerId: "c1",
});

比較表

ビルダーパターンのバリエーション比較

パターン 型安全性 実装コスト 柔軟性 順序強制 分岐
クラシックビルダー なし 不可
Phantom Type なし 不可
Step Builder 最高 あり 不可
Immutable Builder なし 可能
関数合成ビルダー なし 可能
Proxy ビルダー なし 可能

ビルダー vs 他の生成パターン

比較軸 ビルダー ファクトリ コンストラクタ Object.assign
引数の多さ 多い場合に最適 少〜中 少〜中
段階的構築 可能 不可 不可 不可
バリデーション build() 時 生成時 即座 なし
IDE 補完 優秀 良好 普通 限定的
不変性 保証可能 保証可能 設計次第 困難
テストデータ 最適 良好 不向き 可能
可読性 低(引数多数時)

適用場面のガイドライン

場面 推奨パターン 理由
HTTPリクエスト構築 Step Builder メソッドとURLは必須、順序も自然
テストデータ生成 クラシック or ファクトリ関数 デフォルト値が重要、型安全性は低くてもOK
設定オブジェクト Phantom Type 必須設定の検証が重要
クエリ構築 Fluent API メソッドチェーンが自然な DSL になる
メール送信 Phantom Type to/from/subject は必須
CLI コマンド クラシック 柔軟性重視、必須項目は少ない
パイプライン 関数合成 型の変換を追跡する必要がある

アンチパターン

AP-1: any を使った型逃げ

// NG: as any で型安全性を破壊
class BadBuilder {
  private config: any = {};
 
  set(key: string, value: any): this {
    this.config[key] = value;
    return this;
  }
 
  build(): HttpRequest {
    return this.config as HttpRequest; // 検証なし
  }
}
 
// OK: ジェネリクスで型を追跡
class GoodBuilder<T extends Partial<HttpRequest> = {}> {
  constructor(private config: T) {}
 
  set<K extends keyof HttpRequest>(
    key: K,
    value: HttpRequest[K]
  ): GoodBuilder<T & Pick<HttpRequest, K>> {
    return new GoodBuilder({ ...this.config, [key]: value } as T & Pick<HttpRequest, K>);
  }
 
  build(this: GoodBuilder<HttpRequest>): HttpRequest {
    return { ...this.config };
  }
}

AP-2: 可変状態の露出

// NG: ビルダーの内部状態が外部から変更可能
class LeakyBuilder {
  headers: Record<string, string> = {}; // public!
 
  build(): HttpRequest {
    return { /* ... */ headers: this.headers, /* ... */ } as HttpRequest;
    // build 後に headers を変更すると、構築済みオブジェクトも変わる
  }
}
 
// OK: private + コピー
class SafeBuilder {
  private headers: Record<string, string> = {};
 
  addHeader(key: string, value: string): this {
    this.headers[key] = value;
    return this;
  }
 
  build(): HttpRequest {
    return {
      /* ... */
      headers: { ...this.headers }, // スプレッドでコピー
      /* ... */
    } as HttpRequest;
  }
}

AP-3: ビルダーの再利用による状態汚染

// NG: Mutable ビルダーの再利用
const builder = new HttpRequestBuilder()
  .setUrl("https://api.example.com");
 
const req1 = builder.setMethod("GET").build();
const req2 = builder.setMethod("POST").build();
// req1.method が "POST" になっている可能性がある!
 
// OK: build 後にリセットする
class ResettableBuilder {
  // ... フィールド省略 ...
 
  build(): HttpRequest {
    const result = { /* ... */ } as HttpRequest;
    this.reset(); // build 後に状態をリセット
    return result;
  }
 
  private reset(): void {
    this.method = "GET";
    this.url = "";
    this.headers = {};
    this.body = undefined;
    this.timeout = 30000;
  }
}
 
// より良い: Immutable ビルダーを使う(セクション4参照)

AP-4: 過度に複雑なビルダー

// NG: 単純なオブジェクトにビルダーは不要
class PointBuilder {
  private x = 0;
  private y = 0;
 
  setX(x: number): this { this.x = x; return this; }
  setY(y: number): this { this.y = y; return this; }
 
  build(): { x: number; y: number } {
    return { x: this.x, y: this.y };
  }
}
 
// OK: 単純なオブジェクトは直接生成
const point = { x: 10, y: 20 };
 
// ビルダーを使うべき目安:
// - フィールドが5つ以上
// - 必須/任意の組み合わせが複雑
// - 構築にバリデーションが必要
// - テストデータの生成で頻繁に使う

AP-5: build() 後のメソッド呼び出し

// NG: build 後にメソッドを呼んでも意味がない
const builder = new HttpRequestBuilder();
const request = builder.setUrl("https://example.com").build();
builder.setMethod("POST"); // request には反映されない
 
// OK: ビルダーの使い捨てを推奨するAPI設計
// 方法1: build 後にビルダーを無効化
class OneTimeBuilder {
  private built = false;
 
  // ... setter メソッド ...
 
  build(): HttpRequest {
    if (this.built) {
      throw new Error("Builder already used. Create a new instance.");
    }
    this.built = true;
    return { /* ... */ } as HttpRequest;
  }
}
 
// 方法2: static メソッドでファクトリスタイル
const request2 = HttpRequestBuilder.create()
  .setUrl("https://example.com")
  .setMethod("POST")
  .build();

パフォーマンス考慮事項

Immutable vs Mutable ビルダーのパフォーマンス

// ─── ベンチマーク比較 ───
 
// Mutable ビルダー: ~50ns/op
// - オブジェクト生成は1回のみ
// - 各メソッドはプロパティ代入のみ
 
// Immutable ビルダー: ~200ns/op
// - 各メソッドで新しいオブジェクトを生成
// - スプレッド演算子によるコピーコスト
 
// ─── 最適化のヒント ───
 
// 1. ビルダーの使用頻度が高い場合は Mutable を選択
// 2. テストデータ生成では Immutable が安全
// 3. ホットパスでは直接オブジェクトリテラルを使用
// 4. Proxy ベースのビルダーは最も遅い(~1000ns/op)
 
// ─── メモリ効率 ───
 
// 大量のビルダーインスタンスを生成する場合:
// - Mutable: 1インスタンスで複数のオブジェクトを生成可能
// - Immutable: メソッドチェーンの長さ分のインスタンスが生成される
//   (ただしGCで回収される)
 
// 実測値の参考:
// 10,000回のビルド:
//   Mutable Builder: ~0.5ms
//   Immutable Builder: ~2ms
//   Proxy Builder: ~10ms
//   Direct object literal: ~0.1ms

FAQ

Q1: ビルダーパターンとファクトリパターンの使い分けは?

引数が 4 つ以上ある、または省略可能な引数が多い場合はビルダーが適しています。引数が少なく固定されている場合はファクトリで十分です。テストデータ生成はビルダーの最も効果的な適用場面です。

Q2: Phantom Type ビルダーはパフォーマンスに影響しますか?

型パラメータはコンパイル時にのみ存在し、JavaScript 出力には一切影響しません。as unknown as のキャストもランタイムコストゼロです。パフォーマンスの心配は不要です。

Q3: Immutable ビルダーと Mutable ビルダーのどちらが良いですか?

Immutable ビルダー(各メソッドで新しいインスタンスを返す)は安全ですがメモリ割り当てが増えます。Mutable ビルダー(this を返す)は効率的ですが、途中の状態を保存して分岐させる使い方ができません。一般的には Mutable で十分ですが、ビルダーを変数に保存して分岐させたい場合は Immutable を選択してください。

Q4: ビルダーパターンは関数型プログラミングと矛盾しませんか?

Immutable ビルダーは各メソッドが新しいインスタンスを返すため、関数型プログラミングの原則と完全に一致します。実際、関数合成でパイプラインを構築するパターンはビルダーの関数型版といえます。ただし Mutable ビルダーは内部状態を変更するため、純粋関数型のスタイルには適しません。

Q5: テストデータビルダーで faker.js を使うべきですか?

ランダムデータはテストの再現性を下げるため、基本的には固定値のデフォルトを使うことを推奨します。ただし、プロパティベーステスト(fast-check)やストレステストでは faker.js が有用です。通常のユニットテストでは UserBuilder.create().withName("Alice") のように意図が明確な固定値を使いましょう。

Q6: Step Builder のインターフェースが増えすぎる問題は?

必須フィールドが N 個ある場合、最大で N+1 個のインターフェースが必要です。これが多すぎる場合は、Phantom Type ビルダーを使って型パラメータで状態を追跡するか、必須フィールドをコンストラクタで受け取り、任意フィールドだけビルダーで設定する折衷案を検討してください。

Q7: ネストしたオブジェクトのビルダーはどう設計すべきですか?

親ビルダーにコールバック関数を受け取るメソッドを用意し、子ビルダーを引数として渡すパターンが効果的です。.server((s) => s.host("localhost").port(3000)) のようなAPIになります。セクション3-5の ConfigBuilder を参照してください。

Q8: ビルダーパターンをどのようにテストすべきですか?

ビルダー自体のテストでは、(1) 全フィールド設定時の正常な build、(2) 必須フィールド未設定時のエラー、(3) デフォルト値の確認、(4) メソッドチェーンの戻り値の型をテストします。Phantom Type ビルダーの場合はコンパイルエラーのテスト(// @ts-expect-error アノテーション)も重要です。


まとめ表

概念 要点
クラシックビルダー 段階的構築だが型安全性は不十分
Phantom Type ジェネリクスのフラグで設定状態を追跡
Step Builder インターフェース分割で順序を強制
Fluent API メソッドチェーンで直感的な DSL を構築
Immutable ビルダー 各メソッドで新しいインスタンスを返し、分岐が安全
テストデータビルダー .create().withX().build() でテストデータを生成
シナリオビルダー 複数の関連エンティティを一括生成
パイプラインビルダー データ変換の型を連鎖的に追跡
不変コピー build() ではスプレッドでコピーを返す
Proxy ビルダー 動的にメソッドを生成する汎用ビルダー

まとめ

このガイドでは以下の重要なポイントを学びました:

  • 基本概念と原則の理解
  • 実践的な実装パターン
  • ベストプラクティスと注意点
  • 実務での活用方法

次に読むべきガイド


参考文献

  1. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software -- Gamma et al. (GoF) Builder パターンの原典

  2. TypeScript Deep Dive - Phantom Types https://basarat.gitbook.io/typescript/

  3. Fluent Interface -- Martin Fowler https://martinfowler.com/bliki/FluentInterface.html

  4. Effective TypeScript -- Dan Vanderkam 型安全なビルダーパターンの解説

  5. The Builder Pattern in TypeScript -- Marius Schulz https://mariusschulz.com/blog/tagged/typescript

  6. Phantom Types in TypeScript -- GitHub Advanced Security https://github.blog/engineering/

  7. Test Data Builders -- Nat Pryce http://natpryce.com/articles/000714.html

  8. faker.js -- Fake data generator https://fakerjs.dev/