Prototype パターン

Prototype パターンとは

Prototype パターンは、ソフトウェア開発における生成デザインパターンの一つで、既存のオブジェクト（プロトタイプ）を複製することで新しいオブジェクトを生成する手法です。このパターンは、特に以下の状況で有用です。

オブジェクトの生成コストが高い場合: `new`演算子などを使って毎回新しいオブジェクトを生成する代わりに、既存のオブジェクトを複製することで、効率的にオブジェクトを生成できます。
オブジェクトの種別がプロトタイプとなるインスタンスで定義される場合: どのようなオブジェクトを生成するかを、特定のクラスではなく、既存のインスタンスで決定します。
複雑なオブジェクトの構造を扱う場合: 複雑な構造を持つオブジェクトを、毎回構築するのではなく、既存のオブジェクトを複製して微調整することで、効率的にオブジェクトを生成できます。

パターンの仕組み

Prototype パターンは、抽象的な基底クラスで`clone()`メソッドを定義し、各具象クラスで`clone()`メソッドを実装します。クライアントは、`new`演算子を使ってオブジェクトを直接生成するのではなく、プロトタイプの`clone()`メソッドを呼び出して、新しいオブジェクトを生成します。

抽象基底クラス: `clone()`メソッドを持つ抽象基底クラスを定義します。
具象クラス: 抽象基底クラスを継承し、`clone()`メソッドを実装します。`clone()`メソッドは、自身のコピーである新しいオブジェクトを返します。
クライアント: オブジェクトを生成する際に、`new`演算子ではなく、プロトタイプの`clone()`メソッドを呼び出します。

具体例

例えば、細胞分裂を考えてみましょう。細胞分裂では、元の細胞（プロトタイプ）が複製され、同じ遺伝子情報を持つ新しい細胞が生成されます。この例は、Prototype パターンの考え方をよく表しています。プログラムの世界では、以下のような例が挙げられます。

文書編集ソフト: テンプレートとなる文書オブジェクトを複製して、新しい文書を作成する。
ゲーム: キャラクターオブジェクトを複製して、複数のキャラクターを作成する。
グラフィックソフト: 図形オブジェクトを複製して、様々な図形を作成する。

Prototype パターンと他のパターンとの関係

Abstract Factory パターン: Prototype パターンと Abstract Factory パターンは、どちらもオブジェクトの生成に関するパターンですが、適用する状況が異なります。Abstract Factory パターンは、関連するオブジェクトのグループを生成する際に使用され、Prototype パターンは、既存のオブジェクトを複製して新しいオブジェクトを生成する際に使用されます。
Factory Method パターン: Factory Method パターンは、サブクラスでオブジェクトの生成を委譲するのに対し、Prototype パターンは、複製という方法でオブジェクトを生成します。Prototype パターンは、特にオブジェクトの初期化コストが高い場合に有効です。
Singleton パターン: Abstract Factory、Builder、Prototype の各パターンは、実装の際に Singleton パターンを利用できます。これにより、オブジェクトの生成を特定のインスタンスに制限できます。

実装時の注意点

ディープコピー: Prototype パターンでは、オブジェクトを複製する際に、ディープコピー（オブジェクトの内部にある参照型フィールドもコピーする）が必要になる場合があります。シャローコピー（参照型フィールドのアドレスをコピーするだけ）では、複数のオブジェクトが同じ参照型フィールドを共有してしまうため、意図しない動作を引き起こす可能性があります。
初期化: Prototype パターンでは、オブジェクトを複製した後、初期化処理が必要になる場合があります。例えば、新しいオブジェクトに固有のIDを付与するなどの処理が必要になる場合があります。

まとめ

Prototype パターンは、オブジェクトの生成を効率化し、柔軟性を高めるための強力なツールです。特に、オブジェクトの生成コストが高い場合や、複雑なオブジェクトの構造を扱う場合に有効です。このパターンを理解し、適切に適用することで、より高品質なソフトウェアを開発することができます。

参考文献

Gamma, Erich; Helm, Richard; Johnson, Ralph; Vlissides, John (1994). Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley.
エリック・ガンマ、ラルフ・ジョンソン、リチャード・ヘルム、ジョン・ブリシディース（著）、グラディ・ブーチ（まえがき）、本位田真一、吉田和樹（監訳）、『オブジェクト指向における再利用のためのデザインパターン』、ソフトバンクパブリッシング、1995年。

Prototype パターン