К какой группе относится паттерн проектирования prototype в соответствии с gof
Обновлено: 07.07.2024
Паттерн Prototype (прототип) можно использовать в следующих случаях:
- Система должна оставаться независимой как от процесса создания новых объектов, так и от типов порождаемых объектов. Непосредственное использование выражения new в коде приложения считается нежелательным (подробнее об этом в разделе Порождающие паттерны).
- Необходимо создавать объекты, точные классы которых становятся известными уже на стадии выполнения программы.
Паттерн Factory Method также делает систему независимой от типов порождаемых объектов, но для этого он вводит параллельную иерархию классов: для каждого типа создаваемого объекта должен присутствовать соответствующий класс-фабрика, что может быть нежелательно. Паттерн Prototype лишен этого недостатка.
Структура
Базовая реализация
Интерфейс прототипов описывает операции клонирования. В большинстве случаев — это единственный метод clone .
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.
Клиент создаёт копию объекта, обращаясь к нему через общий интерфейс прототипов.
Реализация с общим хранилищем прототипов
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.
Преимущества и недостатки
- Позволяет клонировать объекты, не привязываясь к их конкретным классам.
- Меньше повторяющегося кода инициализации объектов.
- Ускоряет создание объектов.
- Альтернатива созданию подклассов для конструирования сложных объектов.
- 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.
Прототип — это порождающий паттерн, который позволяет копировать объекты любой сложности без привязки к их конкретным классам.
Все классы—Прототипы имеют общий интерфейс. Поэтому вы можете копировать объекты, не обращая внимания на их конкретные типы и всегда быть уверены, что получите точную копию. Клонирование совершается самим объектом-прототипом, что позволяет ему скопировать значения всех полей, даже приватных.
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.
Копирование «извне» не всегда возможно в реальности.
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.
Особенности паттерна на Java
Сложность:
Популярность:
Применимость: Паттерн Прототип реализован в базовой библиотеке Java посредством интерфейса Cloneable .
Любой класс может реализовать этот интерфейс, чтобы позволить собственное клонирование.
Признаки применения паттерна: Прототип легко определяется в коде по наличию методов clone , copy и прочих.
Привет друзья! С вами Алекс и я продолжаю серию статей, посвящённых применению шаблонов проектирования в языке Golang.
Интересно получать обратную связь от вас, понимать на сколько применима данная область знаний в мире языка Golang. Ранее уже рассмотрели шаблоны: Simple Factory, Singleton и Strategy. Сегодня хочу рассмотреть еще один шаблон проектирования - Prototype.
Как реализовать?
Подробно пошаговую реализацию данного шаблона, а также других шаблонов проектирования на языке PHP можно посмотреть тут. Наша задача реализовать шаблон Prototype на языке Golang.
Рассмотрим пример реализации рубрикатора каталога продуктов в интернет-магазине с большим количеством категорий товаров. В рубрикаторе есть разделы верхнего уровня, в которых содержатся конечные рубрики и разделы второго уровня. Разделы второго уровня также могут содержать рубрик и разделы третьего уровня и т.д. То есть это древовидная структура объектов, у них есть стволы и листья - конечные элементы дерева. Каждая рубрика и раздел имеет свой набор свойств, относительно товаров раздела. Например, рубашки - это цвет, размер, бренд и т.д.
В какой-то момент потребовалась панель администрирования рубрикатора, чтобы копировать разделы в раздел и рубрики со всеми свойствами товаров. Например, в разделе одежды нужно быстро уметь клонировать рубрики мужские, женские, детские шорты и т.д.
Каждую рубрика, как конечный элемент рубрикатора, может быть представлен интерфейсом prototype , который объявляет функцию clone . За основу конкретных прототипов рубрики и раздела мы берем тип struct , которые реализуют функции show и clone интерфейса prototype .
Итак, реализуем интерфейс прототипа. Далее мы реализуем конкретный прототип directory , который реализует интерфейс prototype представляет раздел рубрикатора. И конкретный прототип для рубрики. Обе структуру реализуют две функции show , которая отвечает за отображение конкретного контента ноды и clone для копирования текущего объекта. Функция clone в качестве единственного параметра принимает аргумент, ссылающийся на тип указателя на структуру конкретного прототипа - это либо рубрика, либо директория. И возвращает указатель на поле структуры, добавляя к наименованию поля _clone .
В клиенте создаем древовидную структуру рубрикатора. Копируем одну из директорий со всеми дочерними элементами. Видим, что все дерево успешно скопировано благодаря реализации функция клонирования для каждого конкретного прототипа. Вывод:
Когда применять?
У вас много объектов с множеством свойств и вам нужно создавать их клоны быстро и эффективно. Шаблон предлагает использовать набор прототипов, вместо создания подклассов для описания популярных конфигураций объектов. Вместо порождения объектов из подклассов, вы копируете существующие объекты-прототипы, в которых уже настроено состояние. Тем самым избегая роста количества классов в программе и уменьшая её сложность.
Код не должен зависеть от классов копируемых объектов. Если ваш код работает с объектами, переданными через общий интерфейс - вы не можете привязаться к их классам, даже если бы хотели, поскольку их конкретные классы неизвестны. Прототип предоставляет клиенту общий интерфейс для работы со всеми прототипами. Клиенту не нужно зависеть от классов копируемых объектов, а только от интерфейса клонирования.
Друзья, шаблон Prototype предлагает:
Удобную концепцию для создания копий объектов.
Помогает избежать дополнительных усилий по созданию объекта стандартным путём, когда это непозволительно дорого для приложения.
В объектных языках позволяет избежать наследования создателя объекта в клиентском приложении, как это делает паттерн abstract factory, например.
Кстати, друзья, вот тут можно посмотреть результаты опроса читателей хабра. 63% опрошенных считают, что применение шаблонов проектирования в Golang - это зло. Связано, скорее всего, с тем, что язык Golang процедурный и ему чужды подходы объектно-ориентированных языков. Но рассматривать реализации и применение шаблонов стоит, так как это позволяет больше их понимать и периодически применять для решения тех или иных задач. Каждый подход требует, конечно, дискуссии и разумного применения.
Друзья, рад был поделиться темой, Алекс. На английском статью можно найти тут.
Удачи!
Диаграмма классов
На диаграмме видим Интерфейс прототипов, который описывает операции клонирования. В большинстве случаев - это единственный метод clone. Конкретный прототип реализует логику клонирования самого себя. Тут важно не допускать ошибку клонирования. Например, клонирование связанных объектов, распутывание рекурсивных зависимостей и прочее. Клиент создаёт копию объекта, обращаясь к нему через общий интерфейс прототипов. Все просто.
Шаги реализации
Создайте интерфейс прототипов с единственным методом clone . Если у вас уже есть иерархия продуктов, метод клонирования можно объявить непосредственно в каждом из её классов.
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.
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.
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.
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.
Предварительно заготовленные прототипы могут стать заменой подклассам.
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.
Для чего нужен?
Это порождающий шаблон проектирования, который позволяет копировать объекты, не вдаваясь в подробности их реализации.
Псевдокод
В этом примере Прототип позволяет производить точные копии объектов геометрических фигур, не привязываясь к их классам.
Пример клонирования иерархии геометрических фигур.
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.
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.
Пример деления клетки.
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.
Какое решение?
Шаблон Prototype 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, отсюда и название шаблона. Когда объекты программы содержат сотни полей и тысячи возможных конфигураций, прототипы могут служить своеобразной альтернативой созданию подклассов. Шаблон прототип должен копировать объекты любой сложности без привязки к их конкретным классам.
Все классы-прототипы имеют общий интерфейс. Поэтому вы можете копировать объекты, не обращая внимания на их конкретные типы и всегда быть уверены, что получите точную копию. Клонирование совершается самим объектом-прототипом, что позволяет ему скопировать значения всех полей, даже приватных. 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.
Какую проблему решает?
Представьте, у вас есть объект, который необходимо скопировать. Как это сделать? Создать пустой объект такого же класса, затем поочерёдно скопировать значения всех полей из старого объекта в новый. Прекрасно, но есть нюанс! Не каждый объект удается скопировать таким образом, ведь часть его состояния может быть приватной, а значит - недоступной для остального кода программы.
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.
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.
Реализация паттерна Prototype
Приведем реализацию паттерна Prototype на примере построения армий для военной стратегии "Пунические войны". Подробное описание этой игры можно найти в разделе Порождающие паттерны. Для упрощения демонстрационного кода будем создавать военные персонажи для некой абстрактной армии без учета особенностей воюющих сторон.
Также как и для паттерна Factory Method приведем две возможные реализации паттерна Prototype, а именно:
- В виде обобщенного конструктора на основе прототипов, когда в полиморфном базовом классе Prototype определяется статический метод, предназначенный для создания объектов. При этом в качестве параметра в этот метод должен передаваться идентификатор типа создаваемого объекта.
- На базе специально выделенного класса-фабрики.
Реализация паттерна Ptototype на основе обобщенного конструктора
В приведенной реализации классы всех создаваемых военных единиц, таких как лучники, пехотинцы и конница, являются подклассами абстрактного базового класса Warrior. В этом классе определен обобщенный конструктор в виде статического метода createWarrior(Warrior_ID id). Передавая в этот метод в качестве параметра тип боевой единицы, можно создавать воинов нужных родов войск. Для этого обобщенный конструктор использует реестр прототипов, реализованный в виде ассоциативного массива std::map, каждый элемент которого представляет собой пару "идентификатор типа воина" - "его прототип".
Добавление прототипов в реестр происходит автоматически. Сделано это следующим образом. В подклассах Infantryman, Archer, Horseman, прототипы определяются в виде статических членов данных тех же типов. При создании такого прототипа будет вызываться конструктор с параметром типа Dummy, который и добавит этот прототип в реестр прототипов с помощью метода addPrototype() базового класса Warrior. Важно, чтобы к этому моменту сам объект реестра был полностью сконструирован, именно поэтому он выполнен в виде singleton Мэйерса.
Для приведенной реализации паттерна Prototype можно отметить следующие особенности:
- Создавать новых воинов можно только при помощи обобщенного конструктора. Их непосредственное создание невозможно, так как соответствующие конструкторы объявлены со спецификатором доступа private.
- Отсутствует недостаток реализации на базе обобщенного конструктора для паттерна Factory Method, а именно базовый класс Warrior ничего не знает о своих подклассах.
Реализация паттерна Prototype с помощью выделенного класса-фабрики
В приведенной реализации для упрощения кода реестр прототипов не ведется. Воины всех родов войск создаются при помощи соответствующих методов фабричного класса PrototypeFactory, где и определены прототипы в виде статических переменных.
Прототип — это порождающий паттерн проектирования, который позволяет копировать объекты, не вдаваясь в подробности их реализации.
Описание паттерна Prototype
Для создания новых объектов паттерн Prototype использует прототипы. Прототип - это уже существующий в системе объект, который поддерживает операцию клонирования, то есть умеет создавать копию самого себя. Таким образом, для создания объекта некоторого класса достаточно выполнить операцию clone() соответствующего прототипа.
Паттерн Prototype реализует подобное поведение следующим образом: все классы, объекты которых нужно создавать, должны быть подклассами одного общего абстрактного базового класса. Этот базовый класс должен объявлять интерфейс метода clone() . Также здесь могут объявляться виртуальными и другие общие методы, например, initialize() в случае, если после клонирования нужна инициализация вновь созданного объекта. Все производные классы должны реализовывать метод clone() . В языке С++ для создания копий объектов используется конструктор копирования, однако, в общем случае, создание объектов при помощи операции копирования не является обязательным.
UML-диаграмма классов паттерна Prototype
Для порождения объекта некоторого типа в системе должен существовать его прототип. Прототип представляет собой объект того же типа, единственным назначением которого является создание подобных ему объектов. Обычно для удобства все существующие в системе прототипы организуются в специальные коллекции-хранилища или реестры прототипов. Такое хранилище может иметь реализацию в виде ассоциативного массива, каждый элемент которого представляет пару "Идентификатор типа" - "Прототип". Реестр прототипов позволяет добавлять или удалять прототип, а также создавать объект по идентификатору типа. Именно операции динамического добавления и удаления прототипов в хранилище обеспечивают дополнительную гибкость системе, позволяя управлять процессом создания новых объектов.
Читайте также: