Prototype Pattern

출처

• https://refactoring.guru/design-patterns/prototype

프로토타입 패턴이란?

• 생성 디자인 패턴
• 생성할 object의 클래스에 의존하지 않고 이미 생성된 object를 통해 동일한 object를 생성할 수 있는 디자인 패턴입니다.

프로토타입?

앞으로 설명드릴 프로토타입이란 용어와 일상생활에서 쓰이는 용어와 차이점이 있습니다. 제가 이 패턴을 처음 접했을 때 가장 헷갈려서 개념을 받아들이기 어려웠기 때문에 차이점을 먼저 짚어보겠습니다.

일상생활에서 쓰이는 프로토타입 용어

• 이 프로토타입은 대량생산 전 성능을 검증하고 개선하기 위해 핵심기능만 넣어서 제작한 모델을 프로토타입이라 부릅니다.
• 또는 게임의 본격적인 개발에 앞서 재미요소나 구현 가능성을 검증하기 위해 제작하는 시제품을 의미하지요.

아마 이 두 뜻이 일반적으로 알고 있는 내용이라 생각이 듭니다. 그렇기 때문에 이 정의에 맞추어 프로토타입 패턴을 받아들이려고 하면 어려움이 뒤따를 수 밖에 없습니다. 프로토타입 패턴에서 프로토타입은 다음과 같습니다.

프로토타입 패턴에서 프로토타입 용어

• 자기 자신을 복제하는 기능을 지원하는 객체를 프로토타입이라고 부릅니다. (자기 자신을 어떻게 복제하는지는 아래에서 자세히 설명드리겠습니다.)

  An object that supports cloning is called a prototype.

자기 자신을 생성한다는 면에서 큰 차이점이 있습니다. 따라서 이 프로토타입은 오히려 자기복제하는 아메바와 비슷한 의미하는 것이지요.

그래도 두 용어의 어원은 '원초적 형태'라는 의미를 가지고 있긴 합니다.

상황

• object를 똑같이 복제하려 합니다.

방법 - object의 클래스를 이용

1. object의 클래스에서 새로운 object를 생성합니다.
2. 복제하고 싶은 object의 모든 필드를 그대로 새로운 object로 카피하여 옮깁니다.

문제점

1. 필드가 private로 선언된 경우 object의 field값에 접근못할 수 있습니다.
   • 이 때문에 런타임 중 object를 복제하지 못합니다.
2. concrete class에 의존하게 됩니다.
   • concrete class를 이용하여 생성하기 때문입니다.
3. object의 인터페이스만 알고 있는 경우 생성할 수 없습니다.
   • 다른 interface를 통해서 객체를 받은 경우 concrete class를 모를 수 있습니다.

해결방법

복제하는 책임을 class에서 복제하려는 object에게 넘깁니다!

1. concrete class를 찾아 생성할 필요가 없어집니다.

2. object 자신은 자신의 field에 접근할 수 있기 때문에 private로 선언된 문제도 해결할 수 있습니다.

복제하려는 objects들의 interface를 선언합니다.

1. 생성한 object를 concrete class로 받을 필요가 없어집니다.
2. 보통 이 interface는 자기 자신을 복제하는 clone() 메서드를 선언합니다.

구조

1. Basic implementation

1. Prototype

프로토타입을 만드려는 객체 클래스들의 interface입니다. (다시 한번 프로토타입을 말하자면 자가 복제 기능을 가진 객체!!)

이 인터페이스를 통해서 clone를 상속받고, 프로토타입 객체들을 이 공통의 타입으로 받을 수 있게 되지요. (다형성)

public interface Prototype {
    public Prototype clone();
}

2. ConcretePrototype

프로토타입의 인터페이스를 구현합니다. 따라서 이 클래스는 clone()메서드를 가지고 있습니다.

public class Circle implements Prototype {
    private int x;
    private int y;

    public Circle(Circle prototype) {
        this.x = prototype.x;
        this.y = prototype.y;
    }

    public Circle(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        return new Circle(this);
    }
}

clone()

그리고 clone()을 다음과 같은 방식으로 구현합니다.

1. 생성자에 자신의 타입을 가진 객체를 넘길 수 있도록 합니다.

2. 초기화를 위해 파라미터로 받는 생성자를 만들어줍니다.

   • 복제하기 위해 자신의 객체를 넣어주어야 하는데 이 부분이 없으면 자신의 객체를 만들 수가 없기 때문입니다.

sub-class

1. super(prototype)를 이용하여 상위 class에 값을 전달해줍니다.

public class RedCircle extends Circle {
    private String color;

    public RedCircle(RedCircle prototype) {
        super(prototype);
        this.color = prototype.color;
    }

    //javascript와 비슷한 방식
    public RedCircle(Circle circle, String color) {
        super(circle);
        this.color = color;
    }

    public RedCircle(int x, int y, String color) {
        super(x, y);
        this.color = color;
    }

    public Prototype clone() {
        return new RedCircle(this);
    }
}

3. Client

1. Prototype interface를 통해 객체를 생성할 수 있습니다.

   public class Client {
       Prototype circle = new Circle(3, 5);
       Prototype redCircle1 = new RedCircle(3, 5, "red");
       Prototype redCircle2 = new RedCircle((Circle) circle, "red");
   
       Prototype newCircle = circle.clone();
       Prototype newRedCircle = redCircle1.clone();
   }

2.Prototype registry implementation

프로토타입들을 콜렉터를 통해 관리할 수 있도록 구현 합니다. 따라서 클라이언트에게 어떻게 생성하는지는 숨길 수 있고, 클라이언트는 이 저장소를 통해 값을 가져올 수 있습니다.

여기서 클라이언트는 값을 제공해주고 빼내오는 클래스로 1. 초기화하여 레지스트리에 값을 저장하려는 클래스, 2. 레지스트리에 접근하여 값을 가져오려는 클래스 두 가지로 봐도 될 것 같습니다.

비판 - 자바에서 프로토타입 패턴 문제점

프로토타입을 구현한 객체들의 다른 내용을 사용하려면 캐스팅을 해주어야 합니다. 이때는 다른 메서드도 추가할 것이니 abstract를 적용해보겠습니다.

Shape [prototype class]

abstract class Shape {
    private int x;
    private int y;

    public Shape(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public Shape(Shape shape) {
        this.x = shape.x;
        this.y = shape.y;
    }

    public abstract Shape clone();
}

이 프로토타입은 도형이라는 것만 복제할 것이기 때문에 필드에 int x, int y를 선언해주었습니다.

Circle

public class Circle extends Shape{
    private int radius;

    public Circle(int x, int y, int radius) {
        super(x, y);
        this.radius = radius;
    }

    public Circle(Circle circle) {
        super(circle);
        this.radius = circle.radius;
    }

    public int getRadius() {
        return radius;
    }

    @Override
    public Shape clone() {
        return new Circle(this);
    }
}

도형이라는 프로토타입을 상속받아 Circle이라는 속성을 부여해주는 radius 필드를 추가하였습니다. 그리고 이 radius에 접근하려면 getRadius() 메서드를 선언주어야겠지요.

Client

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Circle circle = new Circle(3,5,110);


        //에러
        Shape circle1 = circle.clone();
        circle1.getRadius();

        //캐스팅
        Circle circle2 = (Circle) circle.clone();
        circle2.getRadius();

        /**
         * 3자에게 주입받아 타입을 모른 채 사용할 수 있도록 하려 함. 그래서 Shape라는 프로토타입 인터페이스를
         * 선언해주었으나, Circle이라는 class 의미를 부여한 radius에 접근하는 getRadius()를 사용하기 위해서는
         * object의 타입을 확인해주고 Circle로 캐스팅해주어야 했음.
         */
    }
}

주석에 달아놓은 것처럼, 3자에게 주입받아 타입을 모른 채 사용할 수 있어야 하는데, getRadius에 접근하려면 캐스팅이 필요합니다. 즉, 객체를 이용하려면 타입을 알아야만 한다는 것이지요.

캐스팅은 좋지 못한 방법이라 생각하기 때문에 자바에는 그리 적절하진 않은 것 같습니다.

따라서 타입이 동적으로 변하는 파이썬이나 자바스크립트에 더 어울리는 방법이라 보이네요.

다른 패턴과 관계

1. Factory method에서 복잡해지면 Prototype적용 가능합니다.
   • 생성 책임 분리
2. Abstract Factory가 factory methods의 모음이라 말할 수 있는데, 이 factory method의 생성하는 부분을 prototype 패턴으로 대체할 수 있습니다.