Prototype Pattern

원형이 되는 인스턴스를 사용하여 생성할 객체의 종류를 명시하고, 이렇게 만든 견본을 복사해 새로운 객체를 생성한다.

Motivation

게임 개발 시 여러 종류의 유닛을 사용하고 있다고 하자. 각 유닛 객체는 다양한 특성을 가지고 있으며, 게임에서 동일한 유닛을 복제해 새로운 유닛을 생성하는 상황이 많다. 이때, 매번 새로운 유닛을 생성하려면 비용이 크고, 시간이 많이 소요될 수 있다.

프로토타입 패턴을 사용하면 객체를 복제하는 방식으로 새로운 유닛을 생성할 수 있다. 이 패턴을 사용하면 객체의 복제가 간단해지고, 성능이 향상된다.

Applicability

인스턴스화할 클래스를 런타임에 지정할 때
제품 클래스 계통과 병렬적으로 만드는 팩토리 클래스를 피하고 싶을 때
클래스의 인스턴스들이 서로 다른 상태 조합 중 어느 하나일 때

Structure

prototype pattern structure

Prototype: 자신을 복제하는 데 필요한 인터페이스를 정의
ConcretePrototype: 자신을 복제하는 연산을 구현
Client: 프로토타입에 자기 자신의 복제를 요청해 새로운 객체를 생성

Consequences

런타임에 새로운 제품을 추가하고 삭제할 수 있다.
값들을 다양화함으로써 새로운 객체를 명세한다.

기존의 객체를 복제(clone)한 후, 그 객체의 속성(값)을 조정하여 새로운 객체를 생성한다.
구조를 다양화함으로써 새로운 객체를 명세할 수 있다.

객체를 복제한 후, 단순히 값을 변경하는 것뿐만 아니라, 객체 내부의 컴포넌트 자체를 다양화(조합, 변경, 추가, 삭제 등) 할 수 있다.
서브클래스의 수를 줄인다.

프로토타입 패턴에서는 팩토리 메서드에 새로운 객체를 만들어 달라고 요청하는 것이 아니라 프로토타입을 복제하는 것이므로, Creator 클래스에 따른 새로운 상속 계층이 필요 없다.
동적으로 클래스에 따라 애플리케이션을 설정할 수 있다.

애플리케이션 실행 중에 객체를 새로 생성하는 대신, 미리 정의된 프로토타입 객체를 복제하고 수정하여 다양한 객체를 생성함으로써 애플리케이션의 동작과 구성을 변경할 수 있다.

Implementation

프로토타입 관리자를 사용한다.

사용자는 프로토타입 자체를 다루지 않고, 단지 레지스트리에서 프로토타입을 검색하고 그것을 레지스트리에 저장할 뿐이다. 사용자는 프로토타입을 복제하기 전 레지스트리에 프로토타입이 있는지 먼저 알아본다. 이런 레지스트리를 가리켜 프로토타입 매니저(prototype manager)라 한다. 프로토타입 매니저는 어떤 키에 부합되는 프로토타입을 저장하고, 찾아서 반환하며, 삭제하는 기능을 담당하는 저장소다. 사용자는 런타임에 레지스트리를 변경하거나 검색할 수 있다.
Clone() 연산을 구현한다.

대부분의 언어는 복사 기능을 지원한다. 그러나 이런 기능들은 얕은 복사(shallow copy)와 깊은 복사(deep copy) 문제를 해결하지 못한다. 따라서 Clone 연산을 구현할 때 무엇을 복사하고, 무엇을 공유하도록 할 지 결정해야 한다.
Clone을 초기화한다.

어떤 사용자는 내부 상태를 자신이 선택한 값으로 초기화하기를 원할 수 있다. 프로토타입의 상태를 (재)설정하기 위한 연산(setXXX(), Initialize() 등)이 프로토타입 클래스에 정의되어 있을 수 있다. 이 연산은 초기화 매개변수를 인자로 받아 복제본의 내부 상태를 설정한다.

Sample Code

MazePrototypeFactory를 MazeFactory의 서브클래스로 정의한다. MazePrototypeFactory는 생성할 객체의 프로토타입으로 초기화된다. 따라서 MazePrototypeFactory는 생성할 벽이나 방의 클래스를 변경하기 위해 서브클래스를 만들 필요가 없다.

class MazePrototypeFactory : public MazeFactory {
public:
    MazePrototypeFactory(Maze*, Wall*, Room*, Door*);

    virtual Maze* MakeMaze() const;
    virtual Room* MakeRoom(int) const;
    virtual Wall* MakeWall() const;
    virtual Door* MakeDoor(Room*, Room*) const;

private:
    Maze* _prototypeMaze;
    Room* _prototypeRoom;
    Wall* _prototypeWall;
    Door* _prototypeDoor;
};

여기에 정의된 생성자는 다음과 같이 자신의 정의하는 프로토타입들을 초기화한다.

MazePrototypeFactory::MazePrototypeFactory(Maze* m, Wall* w, Room* r, Door* d) {
    _prototypeMaze = m;
    _prototypeWall = w;
    _prototypeRoom = r;
    _prototypeDoor = d;
}

각각의 프로토타입을 Clone() 연산을 통해 복제하고 Initialize()로 초기화한다. 다음은 MakeWall()을 통해 벽을 복제하고, MakeDoor()를 통해 문을 복제하며, 이를 초기화하는 과정을 보여준다.

Wall* MazePrototypeFactory::MakeWall() const {
    return _prototypeWall->Clone();
}

Door* MazePrototypeFactory::MakeDoor(Room* r1, Room *r2) const {
    Door* door = _prototypeDoor->Clone();
    door->Initialize(r1, r2);
    return door;
}

MazePrototypeFactory를 이용해 기본 골격만 갖추거나 기본형의 미로를 만들 수 있다. 이는 미로의 기본 컴포넌트들에 대한 프로토타입으로 각 컴포넌트를 초기화함으로써 가능하다.

MazeGame game;
MazePrototypeFactory simpleMazeFactory(
    new Maze, new Wall, new Room, new Door
);
// MazePrototypeFactory를 이용해 미로를 만듦
Maze* maze = game.CreateMaze(simpleMazeFactory);

미로의 형식을 바꾸려면 MazePrototypeFactory를 이용하되 다른 프로토타입으로 초기화하면 된다.

MazePrototypeFactory bombedMazeFactory(
    new Maze, new BombedWall,
    new RoomWithABomb, new Door
);

Wall의 인스턴스처럼 프로토타입으로 사용할 수 있는 객체는 반드시 Clone() 연산을 제공해야 하고, 객체 복제를 위해 복사 생성자가 있어야 한다. 또한 내부 상태를 재초기화하기 위한 연산이 필요하다. 사용자가 방을 직접 초기화할 수 있도록 Initialize() 연산을 Door에 추가한다.

class Door : public MapSite {
public:
    Door();
    Door(const Door&);  // 복사 생성자

    virtual void Initialize(Room*, Room*);
    virtual Door* Clone() const;
    virtual void Enter();
    Room* OtherSideFrom(Room*);
private:
    Room* _room1;
    Room* _room2;
};

Door::Door(const Door& other) {    // 복사 기능의 생성자
    _room1 = other._room1;
    _room2 = other._room2;
}

void Door::Initialize(Room* r1, Room* r2) {    // 초기화 연산
    _rooml = r1;
    _room2 = r2;
}

Door* Door::Clone() const {
    return new Door(*this);
}

BombedWall 서브클래스는 Clone()을 재정의하고 복사 생성자를 구현해야 한다.

class BombedWall : public Wall {
public:
    BombedWall();
    BombedWall(const BombedWall&);

    virtual Wall* Clone() const;
    bool HasBomb();
private:
    bool _bomb;
};

BombedWall::BombedWall(const BombedWall& other) : Wall(other) {
    _bomb = other._bomb;
}

Wall* BombedWall::Clone() const {
    return new BombedWall(*this);
}

BombedWall::Clone() 연산이 Wall*을 반환하지만, 그 구현은 Wall의 서브클래스인 BombedWall*의 인스턴스를 반환한다. Clone() 연산도 이와 비슷하게 정의해야 한다. 즉, 사용자가 구체적인 서브클래스를 몰라도 프로토타입을 복제할 수 있도록 해야 하는 것이다. 사용자는 Clone() 연산의 반환값을 자신이 원하는 타입으로 다운캐스트 할 필요가 없어야 한다.

Motivation#

Applicability#

Structure#

Consequences#

Implementation#

Sample Code#