Паттерн Прототип (Prototype)

Суть паттерна

Прототип – это порождающий паттерн проектирования, который позволяет копировать объекты, не вдаваясь в подробности их реализации.

Проблема

У вас есть объект, который нужно скопировать. Как это сделать? Нужно создать пустой объект такого же класса, а затем поочерёдно скопировать значения всех полей из старого объекта в новый.

Прекрасно! Но есть нюанс. Не каждый объект удастся скопировать таким образом, ведь часть его состояния может быть приватной, а значит – недоступной для остального кода программы.

Но есть и другая проблема. Копирующий код станет зависим от классов копируемых объектов. Ведь, чтобы перебрать все поля объекта, нужно привязаться к его классу. Из-за этого вы не сможете копировать объекты, зная только их интерфейсы, а не конкретные классы.

Решение

Паттерн Прототип поручает создание копий самим копируемым объектам. Он вводит общий интерфейс для всех объектов, поддерживающих клонирование. Это позволяет копировать объекты, не привязываясь к их конкретным классам. Обычно такой интерфейс имеет всего один метод clone.

Реализация этого метода в разных классах очень схожа. Метод создаёт новый объект текущего класса и копирует в него значения всех полей собственного объекта. Так получится скопировать даже приватные поля, так как большинство языков программирования разрешает доступ к приватным полям любого объекта текущего класса.

Объект, который копируют, называется прототипом (откуда и название паттерна). Когда объекты программы содержат сотни полей и тысячи возможных конфигураций, прототипы могут служить своеобразной альтернативой созданию подклассов.

В этом случае все возможные прототипы заготавливаются и настраиваются на этапе инициализации программы. Потом, когда программе нужен новый объект, она создаёт копию из приготовленного прототипа.

Аналогия из жизни

В промышленном производстве прототипы создаются перед основной партией продуктов для проведения всевозможных испытаний. При этом прототип не участвует в последующем производстве, отыгрывая пассивную роль.

Прототип на производстве не делает копию самого себя, поэтому более близкий пример паттерна – деление клеток. После митозного деления клеток образуются две совершенно идентичные клетки. Оригинальная клетка отыгрывает роль прототипа, принимая активное участие в создании нового объекта.

Структура

Базовая реализация

1. Интерфейс прототипов описывает операции клонирования. В большинстве случаев – это единственный метод clone.
2. Конкретный прототип реализует операцию клонирования самого себя. Помимо банального копирования значений всех полей, здесь могут быть спрятаны различные сложности, о которых не нужно знать клиенту. Например, клонирование связанных объектов, распутывание рекурсивных зависимостей и прочее.
3. Клиент создаёт копию объекта, обращаясь к нему через общий интерфейс прототипов.

Реализация с общим хранилищем прототипов

1. Хранилище прототипов облегчает доступ к часто используемым прототипам, храня набор предварительно созданных эталонных, готовых к копированию объектов. Простейшее хранилище может быть построено с помощью хеш-таблицы вида имя-прототипа → прототип. Но для удобства поиска прототипы можно маркировать и другими критериями, а не только условным именем.

Псевдокод

В этом примере Прототип позволяет производить точные копии объектов геометрических фигур, не привязываясь к их классам.

Все фигуры реализуют интерфейс клонирования и предоставляют метод для воспроизводства самой себя. Подклассы используют метод клонирования родителя, а затем копируют собственные поля в получившийся объект.

// Базовый прототип.
abstract class Shape is
    field X: int
    field Y: int
    field color: string

    // Обычный конструктор.
    constructor Shape() is
        // ...

    // Конструктор прототипа.
    constructor Shape(source: Shape) is
        this()
        this.X = source.X
        this.Y = source.Y
        this.color = source.color

    // Результатом операции клонирования всегда будет объект из
    // иерархии классов Shape.
    abstract method clone():Shape


// Конкретный прототип. Метод клонирования создаёт новый объект
// текущего класса, передавая в его конструктор ссылку на
// собственный объект. Благодаря этому операция клонирования
// получается атомарной — пока не выполнится конструктор, нового
// объекта ещё не существует. Но как только конструктор завершит
// работу, мы получим полностью готовый объект-клон, а не пустой
// объект, который нужно ещё заполнить.
class Rectangle extends Shape is
    field width: int
    field height: int

    constructor Rectangle(source: Rectangle) is
        // Вызов родительского конструктора нужен, чтобы
        // скопировать потенциальные приватные поля, объявленные
        // в родительском классе.
        super(source)
        this.width = source.width
        this.height = source.height

    method clone():Shape is
        return new Rectangle(this)


class Circle extends Shape is
    field radius: int

    constructor Circle(source: Circle) is
        super(source)
        this.radius = source.radius

    method clone():Shape is
        return new Circle(this)


// Где-то в клиентском коде.
class Application is
    field shapes: array of Shape

    constructor Application() is
        Circle circle = new Circle()
        circle.X = 10
        circle.Y = 10
        circle.radius = 20
        shapes.add(circle)

        Circle anotherCircle = circle.clone()
        shapes.add(anotherCircle)
        // anotherCircle будет содержать точную копию circle.

        Rectangle rectangle = new Rectangle()
        rectangle.width = 10
        rectangle.height = 20
        shapes.add(rectangle)

    method businessLogic() is
        // Плюс Прототипа в том, что вы можете клонировать набор
        // объектов, не зная их конкретные классы.
        Array shapesCopy = new Array of Shapes.

        // Например, мы не знаем, какие конкретно объекты
        // находятся внутри массива shapes, так как он объявлен
        // с типом Shape. Но благодаря полиморфизму, мы можем
        // клонировать все объекты «вслепую». Будет выполнен
        // метод clone того класса, которым является этот
        // объект.
        foreach (s in shapes) do
            shapesCopy.add(s.clone())

        // Переменная shapesCopy будет содержать точные копии
        // элементов массива shapes.

Применимость

Когда ваш код не должен зависеть от классов копируемых объектов.

Такое часто бывает, если ваш код работает с объектами, поданными извне через какой-то общий интерфейс. Вы не можете привязаться к их классам, даже если бы хотели, поскольку их конкретные классы неизвестны.

Паттерн прототип предоставляет клиенту общий интерфейс для работы со всеми прототипами. Клиенту не нужно зависеть от всех классов копируемых объектов, а только от интерфейса клонирования.

Когда вы имеете уйму подклассов, которые отличаются начальными значениями полей. Кто-то мог создать все эти классы, чтобы иметь возможность легко порождать объекты с определённой конфигурацией.

Паттерн прототип предлагает использовать набор прототипов, вместо создания подклассов для описания популярных конфигураций объектов.

Таким образом, вместо порождения объектов из подклассов, вы будете копировать существующие объекты-прототипы, в которых уже настроено внутреннее состояние. Это позволит избежать взрывного роста количества классов в программе и уменьшить её сложность.

Шаги реализации

1. Создайте интерфейс прототипов с единственным методом clone. Если у вас уже есть иерархия продуктов, метод клонирования можно объявить непосредственно в каждом из её классов.

2. Добавьте в классы будущих прототипов альтернативный конструктор, принимающий в качестве аргумента объект текущего класса. Этот конструктор должен скопировать из поданного объекта значения всех полей, объявленных в рамках текущего класса, а затем передать выполнение родительскому конструктору, чтобы тот позаботился о полях, объявленных в суперклассе.

Если ваш язык программирования не поддерживает перегрузку методов, то вам не удастся создать несколько версий конструктора. В этом случае копирование значений можно проводить и в другом методе, специально созданном для этих целей. Конструктор удобнее тем, что позволяет клонировать объект за один вызов.

3. Метод клонирования обычно состоит всего из одной строки: вызова оператора new с конструктором прототипа. Все классы, поддерживающие клонирование, должны явно определить метод clone, чтобы использовать собственный класс с оператором new. В обратном случае результатом клонирования станет объект родительского класса.

4. Опционально, создайте центральное хранилище прототипов. В нём удобно хранить вариации объектов, возможно, даже одного класса, но по-разному настроенных.

Вы можете разместить это хранилище либо в новом фабричном классе, либо в фабричном методе базового класса прототипов. Такой фабричный метод должен на основании входящих аргументов искать в хранилище прототипов подходящий экземпляр, а затем вызывать его метод клонирования и возвращать полученный объект.

Наконец, нужно избавиться от прямых вызовов конструкторов объектов, заменив их вызовами фабричного метода хранилища прототипов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Позволяет клонировать объекты, не привязываясь к их конкретным классам.
• Меньше повторяющегося кода инициализации объектов.
• Ускоряет создание объектов.
• Альтернатива созданию подклассов для конструирования сложных объектов.

Недостатки

• Сложно клонировать составные объекты, имеющие ссылки на другие объекты.

Отношения с другими паттернами

• Многие архитектуры начинаются с применения Фабричного метода (более простого и расширяемого через подклассы) и эволюционируют в сторону Абстрактной фабрики, Прототипа или Строителя (более гибких, но и более сложных).
• Классы Абстрактной фабрики чаще всего реализуются с помощью Фабричного метода, хотя они могут быть построены и на основе Прототипа.
• Если Команду нужно копировать перед вставкой в историю выполненных команд, вам может помочь Прототип.
• Архитектура, построенная на Компоновщиках и Декораторах, часто может быть улучшена за счёт внедрения Прототипа. Он позволяет клонировать сложные структуры объектов, а не собирать их заново.
• Прототип не опирается на наследование, но ему нужна сложная операция инициализации. Фабричный метод, наоборот, построен на наследовании, но не требует сложной инициализации.
• Снимок иногда можно заменить Прототипом, если объект, состояние которого требуется сохранять в истории, довольно простой, не имеет активных ссылок на внешние ресурсы, либо их можно легко восстановить.
• Абстрактная фабрика, Строитель и Прототип могут быть реализованы при помощи Одиночки.

Примеры реализации паттерна

Теги