디자인패턴 - 프로토타입(Prototype)

프로토타입 패턴(Prototype Pattern)은 객체 생성의 구체적인 클래스를 명시하지 않고, 기존 객체를 복사하여 새로운 객체를 생성하는 방식입니다. 이 패턴은 객체 생성 비용이 큰 경우, 또는 같은 구조의 객체를 여러 개 만들어야 할 때 유용합니다. 프로토타입 패턴은 주로 두 가지 주요 개념으로 구성됩니다: 복사(클론)와 인터페이스.

주요 특징

객체 복사: 기존 객체를 복사하여 새로운 객체를 생성할 수 있습니다. 이 방식은 객체의 생성 비용이 클 때 유용합니다.
유연성: 새로운 객체를 생성할 때, 기존 객체를 기반으로 할 수 있어 유연성이 높습니다.
클라이언트 코드 간소화: 클라이언트는 객체의 구체적인 클래스에 의존하지 않고, 인터페이스를 통해 객체를 복사할 수 있습니다.

C++ 코드 예시

아래는 프로토타입 패턴을 사용하여 도형 객체를 복사하는 예시입니다.

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>

// 프로토타입 인터페이스
class Shape {
public:
    virtual Shape* clone() const = 0; // 클론 메서드
    virtual void draw() const = 0;     // 도형 그리기
    virtual ~Shape() {}
};

// 구체 제품 클래스: 원
class Circle : public Shape {
public:
    Circle() {}
    Circle(const Circle&) {} // 복사 생성자

    Shape* clone() const override {
        return new Circle(*this); // 현재 객체를 복사하여 새 객체 생성
    }

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;
    }
};

// 구체 제품 클래스: 사각형
class Square : public Shape {
public:
    Square() {}
    Square(const Square&) {} // 복사 생성자

    Shape* clone() const override {
        return new Square(*this); // 현재 객체를 복사하여 새 객체 생성
    }

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Square" << std::endl;
    }
};

// 클라이언트 코드
int main() {
    // 원과 사각형 객체 생성
    Shape* circle = new Circle();
    Shape* square = new Square();

    // 객체 복사
    Shape* circleClone = circle->clone();
    Shape* squareClone = square->clone();

    // 그리기
    circle->draw();          // "Drawing Circle"
    square->draw();         // "Drawing Square"
    circleClone->draw();    // "Drawing Circle"
    squareClone->draw();     // "Drawing Square"

    // 메모리 해제
    delete circle;
    delete square;
    delete circleClone;
    delete squareClone;

    return 0;
}

설명

1. 프로토타입 인터페이스: Shape 클래스는 clone() 메서드와 draw() 메서드를 정의합니다. clone() 메서드는 객체를 복사하는 역할을 합니다.

2. 구체 제품 클래스:

Circle 클래스와 Square 클래스는 Shape 인터페이스를 구현합니다. 각각의 clone() 메서드는 현재 객체를 복사하여 새로운 객체를 생성합니다.
draw() 메서드는 각 도형의 정보를 출력합니다.

3. 클라이언트 코드:
main 함수에서는 Circle과 Square 객체를 생성한 후, clone() 메서드를 호출하여 복사본을 생성합니다.
각 객체의 draw() 메서드를 호출하여 도형을 그리는 메시지를 출력합니다.

위 코드를 실행한 결과는 다음과 같다.

Drawing Circle
Drawing Square
Drawing Circle
Drawing Square

실행 과정 설명:

1. 객체 생성:

Circle 객체와 Square 객체가 각각 생성됩니다.
2. 객체 복사:
circle->clone() 메서드를 호출하여 Circle 객체의 복사본(circleClone)이 생성됩니다.
square->clone() 메서드를 호출하여 Square 객체의 복사본(squareClone)이 생성됩니다.
3. 도형 그리기:
circle->draw() 호출: "Drawing Circle"이 출력됩니다.
square->draw() 호출: "Drawing Square"가 출력됩니다.
circleClone->draw() 호출: 복사된 원의 draw() 메서드가 호출되어 "Drawing Circle"이 출력됩니다.
squareClone->draw() 호출: 복사된 사각형의 draw() 메서드가 호출되어 "Drawing Square"가 출력됩니다.

다른 예시코드 하나 더 갑니다.

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

// Prototype 인터페이스
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() {}
    virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;
    virtual void draw() const = 0;
};

// Concrete Prototype: Circle
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double r) : radius(r) {}

    // 복제 메서드 구현
    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_unique<Circle>(*this);
    }

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Circle with radius " << radius << std::endl;
    }
};

// Concrete Prototype: Square
class Square : public Shape {
private:
    double side;

public:
    Square(double s) : side(s) {}

    // 복제 메서드 구현
    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_unique<Square>(*this);
    }

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Square with side " << side << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 원형 객체 생성
    std::unique_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_unique<Circle>(5.0);
    std::unique_ptr<Shape> squarePrototype = std::make_unique<Square>(7.0);

    // 원형 객체 복제 및 사용
    auto clonedCircle1 = circlePrototype->clone();
    clonedCircle1->draw();

    auto clonedCircle2 = circlePrototype->clone();
    clonedCircle2->draw();

    auto clonedSquare1 = squarePrototype->clone();
    clonedSquare1->draw();

    auto clonedSquare2 = squarePrototype->clone();
    clonedSquare2->draw();

    return 0;
}

1. Prototype 인터페이스 (Shape)

class Shape {
public:
    virtual ~Shape() {}
    virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;
    virtual void draw() const = 0;
};

Shape 클래스는 추상 클래스로, 모든 도형이 가져야 할 공통 인터페이스를 정의합니다.
clone() 메서드는 객체를 복제하는 역할을 합니다. 이는 순수 가상 함수로 선언되어 있어, 이를 상속받는 클래스가 반드시 구현해야 합니다.
draw() 메서드는 도형을 그리는 기능을 정의하며, 역시 순수 가상 함수입니다.

2. Concrete Prototype: Circle

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double r) : radius(r) {}

    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_unique<Circle>(*this);
    }

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Circle with radius " << radius << std::endl;
    }
};

Circle 클래스는 Shape 인터페이스를 구현한 구체적인 프로토타입 클래스입니다.
생성자에서 원의 반지름(radius) 값을 초기화합니다.
복제 메서드 (clone):
- clone() 메서드는 현재 객체(*this)를 복제하여 새로운 객체를 반환합니다.
- std::make_unique(*this)를 사용하여 깊은 복사를 수행합니다.
그리기 메서드 (draw):
- 원의 반지름 값을 출력하며 원을 "그리는" 역할을 합니다.

3. Concrete Prototype: Square

class Square : public Shape {
private:
    double side;

public:
    Square(double s) : side(s) {}

    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_unique<Square>(*this);
    }

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Square with side " << side << std::endl;
    }
};

Square 클래스는 Shape 인터페이스를 구현한 또 다른 구체적인 프로토타입 클래스입니다.
생성자에서 정사각형의 한 변(side) 길이를 초기화합니다.
복제 메서드 (clone):
- 현재 객체를 복제하여 새로운 객체를 반환합니다.
- std::make_unique(*this)를 사용하여 깊은 복사를 수행합니다.
그리기 메서드 (draw):
- 정사각형의 한 변 길이를 출력하며 정사각형을 "그리는" 역할을 합니다.

4. Client 코드

int main() {
    // 원형 객체 생성
    std::unique_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_unique<Circle>(5.0);
    std::unique_ptr<Shape> squarePrototype = std::make_unique<Square>(7.0);

    // 원형 객체 복제 및 사용
    auto clonedCircle1 = circlePrototype->clone();
    clonedCircle1->draw();

    auto clonedCircle2 = circlePrototype->clone();
    clonedCircle2->draw();

    auto clonedSquare1 = squarePrototype->clone();
    clonedSquare1->draw();

    auto clonedSquare2 = squarePrototype->clone();
    clonedSquare2->draw();

    return 0;
}

주요 흐름:

원형 객체 생성:
- 클라이언트는 먼저 원형 객체(circlePrototype, squarePrototype)를 생성합니다.
- 각각 반지름이 5인 원과 한 변 길이가 7인 정사각형으로 초기화됩니다.
복제 및 사용:
- 클라이언트는 원형 객체의 clone() 메서드를 호출하여 새로운 객체를 복제합니다.
- 복제된 객체(clonedCircle1, clonedCircle2, clonedSquare1, clonedSquare2)는 각각 독립적인 상태를 가지며, 이를 바로 사용할 수 있습니다.
- 복제된 객체에서 draw() 메서드를 호출하여 도형 정보를 출력합니다.

실행 결과 분석

코드 실행 시 다음과 같은 출력이 나타납니다:

Drawing a Circle with radius 5
Drawing a Circle with radius 5
Drawing a Square with side 7
Drawing a Square with side 7

설명:

첫 번째와 두 번째 줄은 원형 객체(circlePrototype)에서 복제된 두 개의 원(clonedCircle1, clonedCircle2)을 그린 결과입니다. 두 원은 동일한 반지름(5)을 가집니다.
세 번째와 네 번째 줄은 정사각형 원형 객체(squarePrototype)에서 복제된 두 개의 정사각형(clonedSquare1, clonedSquare2)을 그린 결과입니다. 두 정사각형은 동일한 변 길이(7)를 가집니다.

장점

객체 생성 비용이 클 때, 기존 객체를 복사하여 새로운 객체를 생성함으로써 성능을 개선할 수 있습니다.
클라이언트는 객체의 구체적인 클래스에 의존하지 않고, 인터페이스를 통해 객체를 복사할 수 있습니다.

단점

복사할 객체가 복잡한 상태를 가지고 있을 경우, 깊은 복사가 필요할 수 있어 구현이 복잡해질 수 있습니다.
객체의 상태를 복사해야 하므로, 필요한 경우 모든 속성을 수동으로 복사해야 할 수 있습니다.
프로토타입 패턴은 객체 생성의 유연성을 높이고, 복잡한 객체를 쉽게 관리할 수 있도록 도와주는 유용한 디자인 패턴입니다.

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