Prototype Design Pattern چیست ؟

دیزاین پترن ها در سال ۱۹۹۴ توسط گروهی به نام Gang of Four در سه دسته عمومی طبقه بندی شدند. به آن دسته از الگوهای طراحی که با هدف مدیریت ایجاد اشیا توسعه یافته اند، الگوهای طراحی سازنده یا Creational می‌گویند. الگوی طراحی پروتوتایپ یا Prototype یکی از الگوی‌های طراحی سازنده است که به منظور جلوگیری از ساخت یک شی جدید استفاده می‌شود.

این الگوی طراحی راهکاری برای ایجاد یک شی جدید به واسطه کپی کردن آن از اشیا موجود دیگر ارائه می‌دهد. با استفاده از این تکنیک بدون اینکه وابستگی میان شی جدید و کلاسی که از آن ساخته شده است ایجاد شود، می‌توان اشیا جدیدی در نرم افزار تولید کرد. همچنین در مواردی که مواقع نیاز به ایجاد تغییرات در اشیا جدید وجود دارد تا بتوانیم اشیایی از یک نوع و با پارامترهایی متفاوت ایجاد کنیم.

مثلا تصور کنید بخواهید از یک شی ماشین چندین کپی ایجاد کنید با این تفاوت که هر کدام رنگی متفاوت داشته باشد. با استفاده از الگوی طراحی پروتوتایپ دیگر نیاز نیست که هر بار یک شی جدید از کلاس ایجاد کنید و سپس پارامترهای آن را مشخص کنید. زیرا شما می‌توانید از کلاس ماشین یک شی ایجاد کنید و سپس از آن به تعدادی که نیاز دارید کپی (Clone) تولید کنید.

چرا باید از الگوی طراحی Prototype استفاده کنیم

تصور کنید که تصمیم گرفته اید یک هواپیما بر اساس نمونه خارجی آن بسازید. برای بومی ساز این هواپیما تنها راهی که پیش روی شما خواهد بود این است که دقیقا از پارامترها و ویژگی‌های ساختاری نمونه خارجی آن آگاه باشید. اما از آنجایی که تکنولوژی هایی مربوط به ساخت هواپیماها انحصاری هستند و به راحتی در اختیار دیگر شرکت‌ها قرار نمی‌گیرند، این امر برای شما امکان پذیر نخواهد بود. اما تصور کنید که یک ماشین کپی سه بعدی غول پیکر برای شبیه سازی اشیا داشته باشید. با این کار می‌توانید هواپیما خارجی به آن دستگاه وارد کرده و هواپیما شبیه سازی خود را دریافت کنید. این ماشین شبیه ساز کاری شبیه الگوی طراحی پروتوتایپ انجام می‌دهد.

بنابراین اگر بخواهید از شی ای موجود در نرم افزار دقیقا یک کپی ایجاد کنید. ابتدا باید یک شی جدید از کلاس مورد نظر ایجاد کنید. سپس باید تمام پارامترها و ویژگی‌های شی اصلی را دریافت کرده و بر روی جسم جدید اعمال کنید. اما این روش همیشه به درستی عمل نخواهد کرد زیرا بعضی از پارامترها و ویژگی‌های یک شی ممکن است به صورت خصوصی یا Private تعریف شده باشند. در این صورت دیگر امکان دسترسی به آن‌ها از خارج از کلاس امکان پذیر نخواهد بود.

بنابراین یکی از مشکلات کپی کردن اشیا در برنامه نویسی به صورت مستقیم، عدم دسترسی به برخی از پارامترهای خصوصی است. پس کپی کردن یک شی خارج از کلاسش همیشه امکان پذیر نخواهد بود. از طرفی دیگر به دلیل اینکه شما اشیای کپی شده را بر پایه کلاس‌های شی مبدا ایجاد می‌کنید، اشیای جدید به این کلاس‌ها وابسته می‌شوند و این کار باعث ایجاد وابستگی‌های زیاد در بین کلاس‌ها خواهد شد.

راه حل الگوی طراحی پروتوتایپ

در الگوی طراحی نمونه اولیه یک Interface مشترک برای تمام اشیایی که باید کپی شوند در نظر گرفته می‌شود. این Interface به شما اجازه می‌دهد که یک شی را بدون نیاز به دوباره نویسی کدها در کلاس شی، کپی کنید. معمولا، چنین Interface شامل تنها یک تابع به اسم Clone (کپی) هستند. پس با پیروی کلاس‌های مربوط به اشیا از این Interface دیگر نیازی به نوشتن توابع اضافه و یا استفاده از ایجاد مجدد یک شی نخواهیم داشت. برای این کار فقط کافی است تابع Clone را در کلاس‌ها پیاده سازی کنیم.

پیاده سازی تابع Clone در همه کلاس‌ها بسیار شبیه به هم است. این تابع وظیفه دارد تا یک شی از کلاس فعلی ایجاد کند و سپس تمام مقادیر پارامترهای آن را به شی جدید منتقل می‌کند. همچنین مزیت دیگری که این الگوی طراحی در اختیار شما می‌گذارد این است که حتی می‌توانید پارامترهای Private را کپی کنید. زیرا اکثر زبان‌های برنامه نویسی اجازه می‌دهند که اشیاء به فیلدهای خصوصی از اشیاء دیگر که متعلق به یک کلاس هستند دسترسی پیدا کنند.

به اشیایی که کلاس‌های آن‌ها از قابلیت کپی شدن پشتیبانی کنند یک نمونه اولیه یا Prototype نامیده می‌شوند. همچنین هنگامی که اشیا دارای ده‌ها پارامتر و صدها تنظیمات باشند، می‌توانید از اشیا کپی شده به عنوان جایگزینی برای کلاس‌های فرزند استفاده شوند. با این کار در نرم افزار دیگر نیازی به ساخت کلاس‌های فرزند از کلاس اصلی نخواهید داشت. زیرا می‌توانید اشیا ساخته شده بر اساس کلاس اصلی را متناسب با نیازهایی که دارید تغییر دهید.

بنابراین اگر بخواهیم روش کار این الگو را جمع بندی کنیم باید گفت که شما در ابتدا باید مجموعه ای از اشیا را ایجاد کنید که به شیوه‌های مختلف پیکربندی شده اند. سپس در هر زمانی که به یک شی با یکی از پیکربندی‌های تنظیم شده نیاز داشته باشید، کافی است یک نمونه اولیه را بر اساس آن ایجاد کنید و دیگر نیازی به ساخت یک شی جدید از ابتدا نخواهید داشت.

مثالی از الگوی طراحی پروتوتایپ در دنیای واقعی

در دنیای واقعی، نمونه‌های اولیه برای انجام آزمایش‌های مختلف قبل از شروع تولید انبوه محصولات استفاده می‌شوند. اما در این الگوی طراحی، نمونه‌های اولیه به منظور انجام آزمایشات مختلف یا کنترل کیفیت استفاده نمی‌شوند. نمونه‌های ساخته شده در این تکنیک به صورت مستقیم در بخش‌های مورد نیاز در نرم افزار استفاده می‌شوند. بنابراین، تقریبا بهترین مثال از این الگوی طراحی در دنیای واقعی فرآیند تقسیم سلولی است.

تصور کنید که یک کلاس به اسم سلول (Cell) در نرم افزار تعریف شود. برای اینکه این سلول به یک موجود تکامل یافته تبدیل شود، نیاز به تکثیر و نمونه سازی دارد. بنابراین به هزاران یا میلیون‌ها شی از این کلاس نیاز خواهیم داشت تا اندام‌های مختلف یک موجود زنده را تشکیل دهند و هر کدام به وظیفه خاص خود بپردازد. حال تصور کنید، اگر می‌خواستید همه این اشیا را به صورت مستقیم و یک به یک بسازید و پارامترهای آن‌ها را مقدار دهی کنید، چه میزان از زمان شما مصرف می‌شد.

بر این اساس بهترین راه برای انجام این کار، به کارگیری الگوی طراحی پروتوتایپ خواهد بود. زیرا در این الگو سلول‌ها بر اساس سلول اولیه کپی خواهند شد و دیگر نیازی به ساخته شدن سلول‌ها و مقدار دهی پارامترهای آن‌ها بر اساس سلول اولیه به صورت یک به یک نخواهد بود. با توجه به این نکته که در فرآیند تقسیم سلولی، سلول‌های جدید از سلول اولیه ایجاد می‌شوند می‌توان اینگونه گفت که سلول اصلی به عنوان یک نمونه اولیه یا Prototype عمل می‌کند.

کاربردهای الگوی طراحی Prototype

به کارگیری الگوی طراحی پروتوتایپ در طراحی نرم افزارها، باعث کاهش میزان کدنویسی خواهد شد. مزیت اصلی این دیزاین پترن افزایش سرعت کپی کردن یک شی از شی‌های است. زیرا این عمل خیلی سریع‌تر از ساخت اشیا می‌باشد. در عملیات کپی کردن اشیا تابع سازنده آن‌ها (Constructor) دیگر اجرا نخواهد شد. الگوی طراحی سازنده در موارد زیر کاربرد خواهد داشت:

• برای کاهش تعداد کلاس‌های فرزند (Subclass) استفاده می‌شود. همچنین با این روش می‌توان اشیا ساخته شده را متناسب با نیازهای مختلف پیکربندی کرد.
• به منظور جلوگیری از ایجاد وابستگی میان شی کپی شده به کلاس مورد نظر استفاده می‌شود.
• زمانی که بخواهیم از یک کلاس با پارامترهای Private زیاد شی ایجاد کنیم.

پیاده سازی الگوی طراحی پروتوتایپ

در این بخش به بررسی مراحل پیاده‌ سازی الگوی طراحی نمونه اولیه می‌پردازیم، سپس با استفاده از زبان برنامه نویسی PHP این الگو را در قالب یک مثال پیاده سازی خواهیم کرد. مراحل پیاده سازی این الگو عبارتند از :

1. ابتدا باید یک Interface تعریف شود. سپس در آن یک تابع تحت عنوان Clone ایجاد گردد. سپس کلاس‌های مورد نظر باید از این Interface پیروی کنند و تابع Clone را پیاده سازی کنند. این گام برای قانونمند ساختن نرم افزار استفاده می‌شود و در صورت تشخیص می‌توان از آن صرف نظر کرد.
2. سپس در کلاس نمونه اولیه باید از یک متد Constructor جدید به نام Clone تعریف شود. این Constructor وظیفه دارد مقادیر پارامترهای تعریف شده در کلاس را از شی اصلی دریافت کند و به نمونه جدید ساخته شده، منتقل سازد.

مثال از الگوی طراحی Prototype در دنیای واقعی

این مثال به شما نشان می‌دهد که چگونه با استفاده از الگوی نمونه اولیه صفحه ای که پارامترهای زیادی دارد را کپی کنید. کلاس صفحه دارای بسیاری از پارامتر‌های Private است که به لطف الگوی نمونه اولیه به شی کپی شده منتقل می‌شوند. زیرا اگر بخواهیم از این صفحه یک پیش نویس ذخیره کنیم باید تمام پارامترهای آن را دریافت کنیم و این کار به دلیل Private بودن پارامترهای کلاس بدون استفاده از این روش امکان پذیر نخواهد بود.

<?php
/**
 * Prototype.
 */
class Page
{
    private $title;
    private $body;
    /**
     * @var Author
     */
    private $author;
    private $comments = [];
    /**
     * @var \DateTime
     */
    private $date;
    // +۱۰۰ private fields.
    public function __construct(string $title, string $body, Author $author)
    {
        $this->title = $title;
        $this->body = $body;
        $this->author = $author;
        $this->author->addToPage($this);
        $this->date = new \DateTime;
    }
    public function addComment(string $comment): void
    {
        $this->comments[] = $comment;
    }
    /**
     * You can control what data you want to carry over to the cloned object.
     *
     * For instance, when a page is cloned:
     * - It gets a new "Copy of ..." title.
     * - The author of the page remains the same. Therefore we leave the
     * reference to the existing object while adding the cloned page to the list
     * of the author's pages.
     * - We don't carry over the comments from the old page.
     * - We also attach a new date object to the page.
     */
    public function __clone()
    {
        $this->title = "Copy of " . $this->title;
        $this->author->addToPage($this);
        $this->comments = [];
        $this->date = new \DateTime;
    }
}
class Author
{
    private $name;
    /**
     * @var Page[]
     */
    private $pages = [];
    public function __construct(string $name)
    {
        $this->name = $name;
    }
    public function addToPage(Page $page): void
    {
        $this->pages[] = $page;
    }
}
/**
 * The client code.
 */
function clientCode()
{
    $author = new Author("Mehdi Allameh");
    $page = new Page("Tip of the day", "Keep calm and carry on.", $author);
    // ...
    $page->addComment("Nice tip, thanks!");
    // ...
    $draft = clone $page;
    echo "Dump of the clone. Note that the author is now referencing two objects.\n\n";
    print_r($draft);
}
clientCode();

نتیجه گیری

الگوی طراحی نمونه اولیه یا Prototype به منظور جلوگیری از ساخت یک شی جدید استفاده می‌شود. استفاده از این تکنیک در برنامه نویسی شی گرا مزایای زیادی به همراه خواهد داشت همانطور که مشاهده کردید برخلاف برخی از الگوهای طراحی دیگر، پیاده سازی این دیزاین پترن بسیار ساده است. به نظر شما از این الگوی طراحی برای چه کاربردهایی در نرم افزارها می‌توان استفاده کرد؟ آیا تاحالا از این الگو استفاده کرده اید؟