[Design Pattern] Prototype Pattern

🛠️Prototype Pattern

Prototype은 "원형"이라는 의미를 가진다. 이를 토대로 Prototype 객체는 원형을 나타낸다는 것을 알 수 있고, Prototype Pattern은 원형 객체를 사용하여 객체를 생성하는 패턴임을 알 수 있다.

원형이 되는(prototype) 인스턴스를 사용하여 생성할 객체의 종류를 명시하고, 이렇게 만든 견본을 복사해서 새로운 객체를 생성합니다.

즉, 해당 패턴에서는 복사가 매우 중요한 행위임을 알 수 있다. 그렇다면 클라이언트는 해당 객체를 어떨 때 사용할 수 있을까? 만약 원형 객체가 존재해도 해당 객체를 사용하기에 적절하지 않으면 사용하기 힘들 것이다. 따라서 해당 패턴은 클라이언트의 시작점을 기준으로 생각해야 한다. 보통 우리가 패턴을 사용할 때는 해당 패턴의 객체, 여기서는 Prototype의 구현을 중점으로 보겠지만 만약 해당 패턴을 사용할 기회가 생기면 우리는 이미 생성된 Prototype을 사용할 것이다.

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언제 사용하나?

GOF 책에서는 그래픽 편집기에서 노래 편집기 기능을 확장하는 것을 예로 들어 Prototype Pattern을 설명한다. 그래픽 편집기에서 노래 편집기 기능을 넣으려면 GraphicTool에 MusicGraphicTool을 서브 클래스로 생성하면 될 것이다. 그러나 이는 확장성과 유지보수 면에서 매우 좋지 않은 형태가 된다. 따라서 위 그림처럼 Graphic(Prototype)에서 제공하는 WholeNote, HalfNote를 복제하여 사용하는 구조를 보여준다. GraphicTool은 Graphic 객체 입장에서는 자신의 서브클래스를 복제해서 사용하는 Client이다. 그리고 아마도 Graphic 객체는 그래픽 프레임워크 또는 드라이버 제품으로 제공되어 Client들이 사용할 것이다.

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구조

Prototype Pattern의 구조는 매우 간단하다. 우리는 구현된 Prototype을 clone()만 사용하면 된다. 따라서 해당 패턴은 구현을 중점으로 보기보다는 다양한 Prototype을 조화롭게 클라이언트들이 결합해서 사용하는 것이 중요하다고 볼 수 있다.

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구현 방법

전체 코드

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

// ---------------------------
// Graphic : Prototype 인터페이스
// ---------------------------
class Graphic {
public:
    virtual ~Graphic() {}
    virtual unique_ptr<Graphic> clone() const = 0;
    virtual void draw(const string& position) const = 0;
};

// ---------------------------
// Staff : 구체 Prototype
// ---------------------------
class Staff : public Graphic {
public:
    unique_ptr<Graphic> clone() const override {
        return make_unique<Staff>(*this);
    }

    void draw(const string& position) const override {
        cout << "오선지를 " << position << " 위치에 그림" << endl;
    }
};

// ---------------------------
// MusicalNote : 추상 클래스
// ---------------------------
class MusicalNote : public Graphic { };

// WholeNote : 구체 Prototype
class WholeNote : public MusicalNote {
public:
    unique_ptr<Graphic> clone() const override {
        return make_unique<WholeNote>(*this);
    }

    void draw(const string& position) const override {
        cout << "온음표를 " << position << " 위치에 그림" << endl;
    }
};

// HalfNote : 구체 Prototype
class HalfNote : public MusicalNote {
public:
    unique_ptr<Graphic> clone() const override {
        return make_unique<HalfNote>(*this);
    }

    void draw(const string& position) const override {
        cout << "2분음표를 " << position << " 위치에 그림" << endl;
    }
};

// ---------------------------
// Tool : Client 역할 추상 클래스
// ---------------------------
class Tool {
public:
    virtual ~Tool() {}
    virtual void manipulate() = 0;
};

// GraphicTool : Client 역할 구체 클래스
class GraphicTool : public Tool {
private:
    unique_ptr<Graphic> prototype;
public:
    GraphicTool(unique_ptr<Graphic> proto) : prototype(move(proto)) {}

    void manipulate() override {
        auto p = prototype->clone();
        p->draw("새로운 위치");
    }
};

// RotateTool : 다른 Tool 예시
class RotateTool : public Tool {
public:
    void manipulate() override {
        cout << "대상을 회전시킴" << endl;
    }
};

// ---------------------------
// 클라이언트 코드
// ---------------------------
int main() {
    // 온음표 도구
    unique_ptr<Tool> wholeNoteTool = make_unique<GraphicTool>(make_unique<WholeNote>());
    wholeNoteTool->manipulate();

    // 2분음표 도구
    unique_ptr<Tool> halfNoteTool = make_unique<GraphicTool>(make_unique<HalfNote>());
    halfNoteTool->manipulate();

    // 오선지 도구
    unique_ptr<Tool> staffTool = make_unique<GraphicTool>(make_unique<Staff>());
    staffTool->manipulate();

    return 0;
}

Prototype인 Graphic 클래스는 clone()과 draw() 기능을 제공하여 원형 클래스 인터페이스를 제공한다. 나머지 Staff, WholeNote, HalfNote의 내부적인 구현은 제쳐 두고 Client는 이제 해당 클래스들을 clone()하여 사용하면 된다.

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Client

class Tool {
public:
    virtual ~Tool() {}
    virtual void manipulate() = 0;
};

// GraphicTool : Client 역할 구체 클래스
class GraphicTool : public Tool {
private:
    unique_ptr<Graphic> prototype;
public:
    GraphicTool(unique_ptr<Graphic> proto) : prototype(move(proto)) {}

    void manipulate() override {
        auto p = prototype->clone();
        p->draw("새로운 위치");
    }
};

따라서 Client는 Graphic을 clone()하기 위한 GraphicTool 객체를 생성해야 한다. manipulate()를 통해 프로토타입을 clone()하고 draw()하는 것을 볼 수 있다.

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마무리

Prototype 패턴은 객체를 new로 직접 생성하지 않고 이미 존재하는 객체를 복제(clone)하여 새로운 객체를 만드는 디자인 패턴으로, 객체 생성 비용이 큰 경우에 효율적이고 다양한 객체를 런타임에 유연하게 사용할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 깊은 복사와 얕은 복사 문제를 주의해야 하고, 모든 클래스마다 clone 기능을 구현해야 하므로 관리 비용이 늘어난다는 단점이 있다.
결국 이 패턴은 복잡한 초기화 과정을 거치는 객체나 자주 반복해서 생성해야 하는 객체가 있는 경우에 특히 효과적으로 사용된다.

다음 글에서는 이제 구조 패턴(Structual Pattern)의 Decorator Pattern 에 대해서 알아볼 생각이다. 해당 패턴은 주어진 용도에 따라 여러 객체에 서브클래싱을 유연하게 하는 패턴이다.