Loading article…
プロトタイプパターンは、ソフトウェア開発における生成設計パターンの一つです。これは、作成するオブジェクトの型がプロトタイプとなるインスタンスによって決定され、そのインスタンスを複製して新しいオブジェクトを生成する場合に使用されます。このパターンは、ファクトリーメソッドパターンと同様に、クライアントアプリケーション内でオブジェクトクリエーターのサブクラスを作成することを回避し、また、特定のアプリケーションにとって標準的な方法（例えば、「 new 」キーワードの使用）で新しいオブジェクトを作成する際のコストが高すぎる場合に、そのコストを回避するために使用されます。
このパターンを実装するために、クライアントは純粋仮想メソッド clone()を指定する抽象基底クラスを宣言します。ポリモーフィックコンストラクタ機能を必要とするクラスはすべて、この抽象基底クラスから派生し、clone()操作を実装します。
クライアントは、ハードコードされたクラス名に対して「new」演算子を呼び出すコードを記述する代わりに、プロトタイプに対してclone()メソッドを呼び出すか、目的の特定の具体的な派生クラスを指定するパラメータを持つファクトリメソッドを呼び出すか、または別のデザインパターンによって提供される何らかのメカニズムを介してclone()メソッドを呼び出します。
細胞の有糸分裂（結果として2つの同一の細胞が生じる）は、自己複製において積極的な役割を果たすプロトタイプの例であり、プロトタイプパターンを示している。細胞が分裂すると、同一の遺伝子型を持つ2つの細胞が生じる。言い換えれば、細胞は自己複製する。[ 1 ]
プロトタイプ設計パターンは、柔軟で再利用可能なオブジェクト指向ソフトウェア、つまり実装、変更、テスト、再利用が容易なオブジェクトを設計するために、繰り返し発生する設計上の問題を解決する方法を記述した、23のGang of Four設計パターンの1つです。[ 2 ]： 117
プロトタイプ設計パターンは、次のような問題を解決します。[ 3 ]
オブジェクトを必要とする（使用する）クラス内で直接オブジェクトを作成する方法は、コンパイル時にクラスが特定のオブジェクトにコミットされてしまい、実行時にどのオブジェクトを作成するかを指定することが不可能になるため、柔軟性に欠けます。
プロトタイプ設計パターンは、このような問題を解決する方法を説明しています。
Prototype自身のコピーを返すオブジェクトを定義します。Prototype。これにより、異なるオブジェクトを用いてクラスを構成することが可能になりPrototype、それらのオブジェクトをコピーして新しいオブジェクトを作成できます。さらに、Prototype実行時にオブジェクトを追加したり削除したりすることも可能です。 下記のUMLクラス図とシーケンス図も参照してください。
上記のUMLクラス図では、クラスは、をクローンするためのインターフェースClientを参照しています。クラスは、自身のコピーを作成することでインターフェース を実装します。UMLシーケンス図は 、実行時の相互作用を示しています。オブジェクトはオブジェクトを呼び出し、オブジェクトは自身のコピー (オブジェクト) を作成して返します。PrototypeProductProduct1PrototypeClientclone()prototype:Product1product:Product1
生成パターンは重複することがあり、プロトタイプと抽象ファクトリのどちらでも適切な場合もあります。また、両者が互いに補完し合う場合もあります。抽象ファクトリは、製品オブジェクトを複製して返すためのプロトタイプのセットを格納する場合があります。 [ 2 ] : 126抽象ファクトリ、ビルダー、プロトタイプは、実装でシングルトンを使用できます。 [ 2 ] : 81,134抽象ファクトリクラスは、ファクトリメソッド（継承による生成）を使用して実装されることが多いですが、プロトタイプ（委譲による生成）を使用して実装することもできます。[ 2 ] : 95
多くの場合、設計はファクトリーメソッド（複雑さが少なく、カスタマイズ性が高く、サブクラスが増殖する）から始まり、設計者がより高い柔軟性が必要な箇所を発見するにつれて、抽象ファクトリー、プロトタイプ、またはビルダー（より柔軟で、より複雑）へと進化していく。[ 2 ]： 136
プロトタイプはサブクラス化を必要としませんが、「初期化」操作は必要です。ファクトリメソッドはサブクラス化を必要としますが、初期化は必要ありません。[ 2 ] : 116
複合パターンや装飾パターンを多用するデザインも、プロトタイプの恩恵を受けることが多い。[ 2 ]： 126
プログラミングにおける一般的なガイドラインではclone()、実行時に複製オブジェクトを作成する際に、元のオブジェクトを正確に反映させるために、特定のメソッドを使用することが推奨されています。オブジェクトクローニングと呼ばれるこのプロセスでは、クローン元のオブジェクトと同一の属性を持つ新しいオブジェクトが生成されます。あるいは、キーワードを使用してクラスをインスタンス化するとnew、デフォルトの属性値を持つオブジェクトが生成されます。
例えば、銀行口座取引を管理するシステムを設計する場合、元のデータを保持したまま取引を実行するために、口座情報を含むオブジェクトを複製する必要が生じる場合があります。このようなシナリオでは、新しいオブジェクトをインスタンス化するclone()よりも、この方法を用いる方が望ましいです。new
このC++23実装は、本書に掲載されている C++98 以前の実装に基づいています。デザインパターンに関する解説と、ポリモーフィッククラス設計を用いた完全な実装例は、「C++ アノテーション」に記載されています。
import std ;using std :: array ; using std :: shared_ptr ; using std :: unique_ptr ; using std :: vector ;enum class Direction : char { NORTH , SOUTH , EAST , WEST };class MapSite { public : virtual void enter () = 0 ; virtual unique_ptr < MapSite > clone () const = 0 ; virtual ~ MapSite () = default ; };class Room : public MapSite { private : int roomNumber ; shared_ptr < array < shared_ptr < MapSite > , 4 >> sides ; public : explicit Room ( int n = 0 ) : roomNumber { n }, sides { std :: make_shared < array < shared_ptr < MapSite > , 4 >> ()} {}~ Room () =デフォルト;Room & setSide ( Direction d , shared_ptr < MapSite > ms ) { ( * sides )[ static_cast < size_t > ( d )] = std :: move ( ms ); std :: println ( "Room::setSide {} ms" , d ); return * this ; }virtual void enter () override {}virtual unique_ptr < MapSite > clone () const override { return std :: make_unique < Room > ( * this ); }Room ( const Room & ) = delete ; Room & operator = ( const Room & ) = delete ; };class Wall : public MapSite { public : Wall () : MapSite () {}~ Wall () =デフォルト;virtual void enter () override {}[[ nodiscard ]] virtual unique_ptr < MapSite > clone () const override { return std :: make_unique < Wall > ( * this ); } };class Door : public MapSite { private : shared_ptr < Room > room1 ; shared_ptr < Room > room2 ; public : explicit Door ( shared_ptr < Room > r1 = nullptr , shared_ptr < Room > r2 = nullptr ) : MapSite (), room1 { std :: move ( r1 )}, room2 { std :: move ( r2 )} {}~ Door () =デフォルト;virtual void enter () override {}[[ nodiscard ]] virtual unique_ptr < MapSite > clone () const override { return std :: make_unique < Door > ( * this ); }void initialize ( shared_ptr <Room> r1 , shared_ptr <Room> r2 ) { room1 = std :: move ( r1 ) ; room2 = std :: move ( r2 ) ; }Door ( const Door & ) = delete ; Door & operator = ( const Door & ) = delete ; };class Maze { private : vector < shared_ptr < Room >> rooms ; public : Maze () = default ; ~ Maze () = default ;Maze & addRoom ( shared_ptr < Room > r ) { std :: println ( "Maze::addRoom {}" , reinterpret_cast < void *> ( r . get ())); rooms . push_back ( std :: move ( r )); return * this ; }[[ nodiscard ]] shared_ptr < Room > roomNo ( int n ) const { for ( const Room & r : rooms ) { // 実際のルックアップロジックをここに記述... } return nullptr ; }[[ nodiscard ]] virtual unique_ptr < Maze > clone () const { return std :: make_unique < Maze > ( * this ); } };class MazeFactory { public : MazeFactory () = default ;virtual ~ MazeFactory () = default ;[[ nodiscard ]] virtual unique_ptr < Maze > makeMaze () const { return std :: make_unique < Maze > (); }[[ nodiscard ]] virtual shared_ptr < Wall > makeWall () const { return std :: make_shared < Wall > (); }[[ nodiscard ]] virtual shared_ptr < Room > makeRoom ( int n ) const { return std :: make_shared < Room > ( n ); }[[ nodiscard ]] virtual shared_ptr < Door > makeDoor ( shared_ptr < Room > r1 , shared_ptr < Room > r2 ) const { return std :: make_shared < Door > ( std :: move ( r1 ), std :: move ( r2 )); } };class MazePrototypeFactory : public MazeFactory { private : unique_ptr < Maze > prototypeMaze ; shared_ptr < Room > prototypeRoom ; shared_ptr < Wall > prototypeWall ; shared_ptr < Door > prototypeDoor ; public : MazePrototypeFactory ( unique_ptr < Maze > m , shared_ptr < Wall > w , shared_ptr < Room > r , shared_ptr < Door > d ) : MazeFactory (), prototypeMaze { std :: move ( m )}, prototypeRoom { std :: move ( r )}, prototypeWall { std :: move ( w )}, prototypeDoor { std :: move ( d )} {}~ MazePrototypeFactory () = default ;virtual unique_ptr < Maze > makeMaze () const override { return prototypeMaze -> clone (); }[[ nodiscard ]] virtual shared_ptr < Room > makeRoom ( int n ) const override { return prototypeRoom -> clone (); }[[ nodiscard ]] virtual shared_ptr < Wall > makeWall () const override { return prototypeWall -> clone (); }[[ nodiscard ]] virtual shared_ptr < Door > makeDoor ( shared_ptr < Room > r1 , shared_ptr < Room > r2 ) const override { shared_ptr < Door > door = prototypeDoor -> clone (); door -> initialize ( std :: move ( r1 ), std :: move ( r2 )); return door ; }MazePrototypeFactory ( const MazePrototypeFactory & ) = delete ; MazePrototypeFactory & operator = ( const MazePrototypeFactory & ) = delete ; };class MazeGame { public : MazeGame () = default ; ~ MazeGame () = default ;[[ nodiscard ]] unique_ptr < Maze > createMaze ( MazePrototypeFactory & factory ) { unique_ptr < Maze > maze = factory . makeMaze (); shared_ptr < Room > r1 = factory . makeRoom ( 1 ); shared_ptr < Room > r2 = factory . makeRoom ( 2 ); shared_ptr < Door > door = factory . makeDoor ( r1 , r2 );maze -> addRoom ( std :: move ( r1 )) . addRoom ( std :: move ( r2 ));r1 -> setSide (方向::北、ファクトリー.makeWall ( )) 。setSide (方向:: EAST 、ドア) 。setSide (方向:: SOUTH 、ファクトリー.makeWall ( )) 。setSide (方向::西,工場. makeWall ());r2 -> setSide (方向::北、ファクトリー.makeWall ( )) 。setSide (方向:: EAST 、ファクトリー.makeWall ( )) 。setSide (方向:: SOUTH 、ファクトリー.makeWall ( )) 。setSide (方向:: WEST ,ドア);return maze ; } };int main ( int argc , char * argv []) { MazeGame game ; MazePrototypeFactory simpleMazeFactory ( std :: make_unique < Maze > (), std :: make_shared < Wall > (), std :: make_shared < Room > ( 0 ), std :: make_shared < Door > () );unique_ptr <Maze> maze = game.createMaze ( simpleMazeFactory ) ; }プログラムの出力は以下のとおりです。
迷路:: addRoom 0x1160f50迷路:: addRoom 0x1160f70部屋:: setSide 0 0x11613c0部屋:: setSide 2 0x1160f90部屋:: setSide 1 0x11613e0部屋:: setSide 3 0x1161400部屋:: setSide 0 0x1161420ルーム:: setSide 2 0x1161440ルーム:: setSide 1 0x1161460ルーム:: setSide 3 0x1160f90