먼저 이 글은 영문 위키의 글을 번역한 글임을 알려드립니다.

영어 실력이 부족한 관계로 오역이 있을 수도 있으니 이해해주세요^^;

원문 주소 : http://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_pattern



생성 패턴 - 싱글톤



소프트웨어 공학에서 싱글톤 패턴은 클래스의 인스턴스화를 하나의 객체로 제한을 둠으로써 싱글톤의 수학적 컨셉(수학에 싱글톤이라는게 있나 보군요. 참고 : http://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_(mathematics))을 구현한 디자인 패턴이다. 이 패턴은  시스템에 걸쳐 딱 하나의 객체가 필요할 때에 유용하다. 


이 컨셉은 다음과 같은 시스템에서 일반적으로 사용된다. 

1. 오직 하나의 객체가 존재하는 것이 더 효과적일 때

2. 일정 개수의 객체만 생성하도록 제한을 둬야할 때


싱글톤 패턴을 사용함에 있어서 비판적인 시각도 있는데, 일부에서는 싱글톤이 남용되고 있거나 굳이 하나의 유일한 객체가 필요한 상황이 아닌 곳에서도 불필요하게 도입될 수도 있고, 애플리케이션 안에서 전역 상태(global state)를 도입한다고 판단하기 때문에 안티패턴(자주 사용되기는 하나 효과적이지 못하거나 부작용이 낳는 패턴)으로 간주하기도한다. 


C++에서는 싱글톤이 프로그래머에게 제어를 넘김으로써, 동적 초기화의 순서에 대한 예측 불가능으로부터 분리시킬 수 있다. (정확히는 모르겠지만, 의미를 추측해보면 c++에서는 전역 변수를 사용할 때 어떤 변수가 먼저 초기화될지 순서를 예측하기 힘들 수 있는데, 싱글톤을 이용하면 명시적으로 그 초기화 순서를 정할 수 있다는 의미인 것 같습니다.)


일반적인 사용 Common Uses

  • 추상 팩토리, 빌더, 프로토타입 패턴을 구현할 때에 싱글톤을 사용할 수 있다.
  • 오직 하나의 퍼사드 객체만이 필요하기 때문에, 퍼사드(Facade) 객체는 종종 싱글톤이다.
  • 상태 객체(State Object, 스테이트 패턴 객체를 의미하는 듯 합니다.)는 종종 싱글톤이다.
  • 싱글톤은 종종 아래와 같은 이유때문에 전역 변수보다 선호된다.
    • 싱글톤은 불필요한 변수들로 전역 네임스페이스를 오염시키지 않는다. 
    • 많은 언어에서 전역 변수가 항상 자원(메모리)을 소비하는데에 비해, 싱글톤은 게으른 할당과 초기화를 지원한다.


구조 Structure


구현 Implementation

싱글톤 패턴의 구현은 하나의 인스턴스와 전역 접근 원칙을 만족해야만한다. 이는 클래스 객체를 생성하지 않고 싱글톤 클래스 멤버에 접근할 수 있는 메카니즘과 클래스 객체들 사이에서 클래스 멤버의 값을 유지하는 메커니즘을 필요로 한다. 싱글톤 패턴은 객체가 없을 때에 새로운 클래스 객체를 생성하는 메서드를 가지는 클래스를 만듦으로써 구현할 수 있다. 만약 객체가 이미 존재한다면 해당 메서드에서는 이미 생성된 객체에 대한 레퍼런스를 반환한다. 객체가 다른 방법으로 생성되지 않도록 하기 위해서 생성자는 private으로 한다. 


간단한 스태틱 객체와 싱글톤의 차이에 주목하라. : 싱글톤은 스태틱 객체로 구현되기는 하지만, 늦게 생성될 수 있고 필요하기 전까지는 메모리나 자원을 필요로하지 않는다. 또다른 주목할만한 차이점은 인터페이스가 단순히 마커(marker)가 아닐 경우에, 스태틱 멤버 클래스는 그 인터페이스를 구현할 수 없다는 점이다. 따라서 클래스가 어떤 인터페이스를 구현하기 위해서는 스태틱 멤버 클래스가 아닌 싱글톤으로 구현해야 한다. (두번째 차이는 이해가 잘 안되네요;; 스태틱 멤버 클래스도 사용하는 부분에서만 스태틱으로 선언해서 사용하는 것이지 정의 부분은 일반 클래스랑 다를게 없는데, 왜 인터페이스를 구현하는 것이 안된다는지....?)


싱글톤 패턴은 멀티 스레드 기반의 애플리케이션에서 조심스럽게 사용해야 한다. 만약 싱글톤 객체가 아직 생성되지 않은 시점에서 두개의 스레드가 동시에 싱글톤의 생성 메서드를 호출하면, 두 스레드에서 동시에 싱글톤 객체의 생성여부를 체크할 것이고 이때 단 하나의 객체만 생성하도록 해야한다. 만약 프로그래밍 언어에서 동시(concurrent) 처리 능력(capabilities)을 가지고 있다면 그 메서드(싱글톤 객체를 체크하고 생성하는 메서드)는 상호 보완(mutually exclusive)적으로 만들어져야만 한다.(번역을 하니 말이 조금 어려운데요, 쉽게 풀자면 프로그래밍 언어에서 뮤텍스나 세마포어 같은 기능을 지원할 경우에 싱글톤의 객체 생성 메서드의 원자성을 보장해야한다는 의미입니다.)


이 문제에 대한 고전적인 해결방법은 그 클래스에 상호배제(mutual exclusion)를 사용해서 객체가 생성 중임을 알리는 것이다. (싱글톤 객체 생성 메서드에서 세마포어 등을 이용해서 두 개 이상의 스레드가 동시 접근이 불가능하도록 하라는 의미입니다.)


예 Example

여기에서 보여주는 자바 솔루션은 모두 스레드 세이프(thread-safe, 멀티 스레드 환경에서 상호배제를 보장해 준다는 것을 의미)하도록 만들었다. 자바 5.0부터는 싱글톤을 생성하는 가장 쉬운 방법은 enum 타입 방식인데 이 색션의 가장 마지막에 보여줄 것이다. 


게으른 초기화 Lazy initialization


public class Singleton {
        private static Singleton _instance = null;
 
        private Singleton() {   }
 
        public static synchronized Singleton getInstance() {
                if (_instance == null) {
                        _instance = new Singleton();
                }
                return _instance;
        }
}


전통적인 간단한 방법 Traditional simple way

이 방법은 언어 상의 특별한 구조가 필요없이 스레드 세이프한 방법이지만 위에서 보여준 게이른 초기화를 하지 않는 방법이다. 싱글톤 클래스가 초기화될 때 그 객치(instance)또한 생성된다. 이는 getInstance()를 호출하기 훨~씬 전일 수도 있다. 예를들어 싱글톤 클래스의 스태틱 메서드가 호출될 때 싱글톤 객체가 생성될 수 있다. 게으른 초기화가 필요없거나, 애플리케이션이 실행된 초기에 싱글톤 객체가 생성될 필요가 있거나, 당신의 싱글톤 클래스에 다른 스태틱 멤버나 스태틱 메서드가 없다면(스태틱 멤버나 메서드가 없다는 것은 유일한 스태틱 메서드인 getInstance()가 호춭될 때 싱글톤 객체가 생성됨을 의미한다.), 이 간단한 방법이 사용될 수 있을 것이다.


public class Singleton {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
 
        // Private constructor prevents instantiation from other classes
        private Singleton() { }
 
        public static Singleton getInstance() {
                return instance;
        }
}


스태틱 블럭 초기화 Static block initialization

몇몇 저자들은 전처리(pre-processing)를 하는 비슷한 방법을 말한다. 이 방법에서 보면 전통적인 방법은 이 방법의 특별한 케이스로 볼 수 있다. 

public class Singleton {
  private static final Singleton instance;
 
  static {
    try {
      instance = new Singleton();
    } catch (IOException e) {
      throw new RuntimeException("Darn, an error's occurred!", e);
    }
  }
 
  public static Singleton getInstance() {
    return instance;
  }
 
  private Singleton() {
    // ...
  }
}


빌 퍼그의 방법 The solution of Bill Pugh

Maryland 대학의 컴퓨터 공학 연구자인 Bill Pugh는 자바에서 구현될 때 싱글톤 패턴의 코드 이슈에 관해 글을 썼었다. "Double-checked locking" 에 들어있는 Pugh의 노력은 자바5의 메모리 모델의 변화를 야기했고, 자바에서 싱글톤을 구현하는 표준 방법으로 간주됐다. initialization on demand holder idiom으로 알려진 이 기술은 가능한 게으르게 하고, 모든 자바 버전에서 동작한다.  이 방법은 클래스 초기화에 대한 언어의 보증(guarantees)을 이용하고, 따라서 모든 자바를 따르는 컴파일러나 가상머신에서 잘 동작한다.


중첩된 클래스는 getInstance()가 호출되기 전까지는 참조되지 않는다. 따라서 이 방법은 특별한 언어의 구조가 필요없는(예를들면 volatile이나 synchronized) 스레드 세이프(thread-safe)한 방법이다.


public class Singleton {
        // Private constructor prevents instantiation from other classes
        private Singleton() { }
 
        /**
        * SingletonHolder is loaded on the first execution of Singleton.getInstance() 
        * or the first access to SingletonHolder.INSTANCE, not before.
        */
        private static class SingletonHolder { 
                public static final Singleton instance = new Singleton();
        }
 
        public static Singleton getInstance() {
                return SingletonHolder.instance;
        }
}

내부 클래스인 Singletonholder는 static final이나 읽기만 가능한 클래스 멤버에 접근 가능한 프로퍼티(Property)를 구현함으로써 대체될 수 있다. C#에 있는 게으른(lazy) 객체처럼 Singleton.Instance 프로퍼티가 호출될 때마다, 이 싱글톤은 제일 처음 인스턴스화된다.


Enum을 이용한 방법 The Enum way

Joshua Bloch는 그의 책 "Effective Java"2판에서 enums을 지원하는 어떤 자바 버전이든 상관없이 "유일한 enum 타입은 싱글톤을 구현하는데 가장 좋은 방법이다.(a single-element enum type is the best way to implement singleton)"라고 언급했다. enum의 사용은 구현하기 매우 쉬운 방법이고, 직렬화 가능한 객체(serializable objects)와 관련된 문제가 없다.(이러한 문제가 있다면 다른 방법으로 우회해서 구현해야한다.)


public enum Singleton {
        INSTANCE;
        public void execute (String arg) {
                //... perform operation here ...
        }
}

public메서드는 필요한 타입의 인자를 사용하는데 쓰일 수 있다. ; 여기에서는 String 인자가 사용됐다.

이 접근법은 자바의 enum 값이 자바 프로그램 내에서 오직 한번만 인스턴스화 되는 점을 이용함으로써 싱글톤을 구현한다. 자바의 enum 값은 전역적으로 접근 가능하기 때문에, 이는 싱글톤이다. 이 방법의 문제점은 enum 타입이 유연성이 떨어질 수 있다는 점이다. ; 예를들면 늦은 초기화를 지원하지 못한다는 점이다.


프로토타입에 기반한 싱글톤 Prototype-based singleton

클래스 대신에 객체가 사용되는 프로토타입 기반 프로그래밍(prototype-based programming) 언어에서 "싱글톤"은 단순히 복제되지 않거나 다른 객체의 프로토타입으로 사용되지 않는 것을 의미한다. 


Foo := Object clone
Foo clone := Foo


팩토리 메서드 패턴과 함께 사용되는 예 Example of use with the factory method pattern

싱글톤 패턴은 구체적인 타입을 사용하는 부분에서 모르는 시스템 전역 자원을 생성하기 위해 종종 팩토리 메서드 패턴과의 조합으로 사용되고는 한다. 이 두 패턴을 사용하는 한 예는 자바의 Abstract Window Toolkit(AWT)이다.

java.awt.Toolkit은 다양한 AWT 컴포넌트를 특정 네이티브 툴킷 구현으로 바인딩시키는(bind) 추상클래스이다. Toolkit클래스는 Toolkit.getDefaultToolkit() 팩토리 메서드를 가지고 있는데, 이 메서드는 플랫폼에 특화된 Toolkit의 서브클래스를 리턴한다. AWT가 바인딩을 위한 오직 하나의 객체만 필요로 하고, 이 유일한 객체는 상대적으로 생성 비용이 크게 들기 때문에, Toolkit 객체는 싱글톤으로 한다. toolkit 메서드는 한 객체에서 구현되어야 하고, 클래스의 static 메서드로 구현되어서는 안되는데 그 이유는 구체적인 구현은 플랫폼 독립적인 컴포넌트에게 알려져 있지 않기 때문이다. Toolkit클래스의 서브클래스 이름은 System.getProperties()를 통해 얻어지는 "awt.toolkit" 환경 속성으로 정해진다.


예를들어, toolkit에 의해 수행되는 바인딩은 java.awt.Window를 플랫폼 특화된 java.awt.peer.WindowPeer 구현으로 바인딩하는 지원 구현(backing implementation)을 허락한다. Window클래스와 window를 사용하는 애플리케이션도 peer의 어떤 플랫폼 특화된 서브클래스가 사용되는지 알 필요가 없다.


문제점 Drawbacks

이 패턴은 전역 상태(global state)를 애플리케이션에 도입함으로써, 유닛 테스트를 더 어렵게 만든다. 또한 멀티 스레드에서 싱글톤에 접근하기 위해서는 직렬화되어야(serialised) 하기 때문에(예를들면 lock을 걸어서) 프로그램에서 동시성 가능성도 낮춘다는 것을 잘 알아야 한다. dependency injection의 대변자들은 이 패턴이 private과 static메서들르 사용하기 때문에 안티패턴으로 간주한다. 일부에서는 자바나 PHP같은 언어에서 리플렉션(reflection)을 이용해서 싱글톤 패턴을 부수는 방법을 제안하기도 했다. 

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먼저 이 글은 영문 위키의 글을 번역한 글임을 알려드립니다.

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원문 주소 : http://en.wikipedia.org/wiki/Prototype_pattern



생성 패턴 - 프로토타입



The prototype pattern(이하 프로토타입 패턴)은 프로토타입(원형, 기본틀 등으로 해석할 수 있겠네요.) 객체에 의해 생성될 객체의 타입이 결정되는 생성 디자인 패턴이다. 이 패턴은 새로운 객체를 생성하기 위해 clone(복제)을 이용한다. 

이 패턴은 

  • 클라이언트 어플리케이션에서 객체 생성자의 서브 클래싱을 피한다.(반대로 추상 팩토리 패턴에서는 객체 생성자를 서브 클래싱해야만 한다.)
  • 주어진 애플리케이션에서 일반적인 방법(new 키워드를 이용한 방법)으로 객체를 생성할 때에 필요한 비용이 엄청난 경우에 이 비용을 없앨 수 있다.


이 패턴을 구현하기 위해, pure virtual(순수 추상 메서드라고 하면 되나요?... 전 원래 그냥 퓨어 버츄얼이라고 읽어서..) clone()메서드를 가지는 추상 클래스를 선언한다. polymorphic constructor(다형적인 생성자)가 필용한 어떤 클래스든지 추상 클래스를 상속받아서 clone()메서드를 구현해야 한다.

클라이언트는 new 연산자와 클래스 이름을 같이 쓰기보다는 프로토타입 객체의 clone()메서드를 호출하거나, 팩토리에 원하는 클래스에 해당하는 인자를 넣어서 호출하거나, 다른 디자인 패턴에 의해 제공되는 어떤 메커니즘을 통해 clone()메서드를 호출할 수도 있다.


구조 Structure



예 Example

프로토타입 패턴은 프로토타입 객체를 이용해서 어떤 종류의 객체를 생성할 지 정할 수 있다. 새로운 객체의 프로토타입은 종종 완전히 만들어지기 전에 생성이된다. 하지만 이 예에서는 프로토타입이 수동적이고(passive) 스스로는 복제하지는 않는다. 세포의 유사분열(두개의 독립적인 세포가 만들어진다.)은 프로토타입의 한 예이다. 유사분열은 스스로는 복제하는 일을 하기 때문에 프로토타입 패턴의 실례라 할 수 있다. 세포가 분열될 때, 두개의 독립적인 유전자 형이 결과물로 나온다. 다른 말로 세포가 스스로를 복제한다는 말이다. 


Java



/**
 * Prototype class
 */
abstract class Prototype implements Cloneable {
        @Override
        public Prototype clone() throws CloneNotSupportedException {
                return (Prototype)super.clone();
        }
 
        public abstract void setX(int x);
 
        public abstract void printX();
 
        public abstract int getX();
}
 
/**
 * Implementation of prototype class
 */
class PrototypeImpl extends Prototype {
        int x;
 
        public PrototypeImpl(int x) {
                this.x = x;
        }
 
        public void setX(int x) {
                this.x = x;
        }
 
        public void printX() {
                System.out.println("Value :" + x);
        }
 
        public int getX() {
                return x;
        }
}
 
/**
 * Client code
 */
public class PrototypeTest {
        public static void main(String args[]) throws CloneNotSupportedException {
                Prototype prototype = new PrototypeImpl(1000);
 
                for (int i = 1; i < 10; i++) {
                        Prototype tempotype =  prototype.clone();
 
                        // Usage of values in prototype to derive a new value.
                        tempotype.setX( tempotype.getX() * i);
                        tempotype.printX();
                }
        }
}
 
/*
**Code output**
 
Value :1000
Value :2000
Value :3000
Value :4000
Value :5000
Value :6000
Value :7000
Value :8000
Value :9000
*/


경험에 의한 규칙 Rules of Thumb

때때로 생성 패턴은 겹친다. - 프로토타입이나 추상팩토리 둘 중 하나가 적절한 경우가 있다. 

또 다른 경우에 생성 패턴들은 상호 보완적이기도 하다. : 추상 팩토리는 제품 객체를 복제해서 리턴해주기 위해 프로토타입의 집합을 저장하고 있을 수 있다. 추상 팩토리, 빌더, 프로토타입은 각자의 구현에 싱글톤을 사용할 수도 있다. 

추상 팩토리는 종종 팩토리 메서드로 구현되기도하지만(상속 inheritance을 통해 제품 객체를 생성하는 경우), 프로토타입을 이용해서 구현할 수도 있다.(위임 delegate를 이용해 생성하는 경우)


종종 설계자가 어디에서 더 유연한 설계가 필요한지를 발견하기 때문에,  설계는 팩토리 메서드를 사용해서 시작하고 추상 팩토리, 프로토타입, 똔느 빌더 등으로 발전할 수 있다.


프로토타입은 서브클래싱이 필요없지만, 초기화"initialize" 메서드를 필요로한다. 팩토리 메서드는 서브클래싱이 필요하지만, 초기화는 불필요하다.


콤포짓(Composite)과 데코레이터(Decorator)패턴을 많이 사용하는 설계에서는 종종 프로토타입을 사용하는 것이 좋을 수 있다. 


경험에 의하면 런타임시에 당신이 복제하기 위하는 객체를 트루 카피(true copy)해서 생성하고 싶을 때 clone()메서드가 필요할 수 있다. True copy라하면 새로 생성되는 객체의 모든 속성(attributes)이 그를 복제해내는 객체와 같아야 한다는 것이다. 만약 당신이 new를 사용해서 그 클래스를 초기화할 수 있었다면, 초기값들을 속성으로 가진 객체를 얻어냈을 것이다. 예를 들어, 당신이 은행 거래를 수행하는 시스템을 설계했다고 하면, 당신은 자신의 계좌 정보를 가지고 있는 객체를 복사하고, 복제된 객체를 이용해 거래를 하고나서 수정된 객체로 기존 객체를 덮고 싶을 것이다. 이러한 경우에 당신은 new 대신 clone()을 사용하고 싶을 것이다. 

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먼저 이 글은 영문 위키의 글을 번역한 것을 알려드립니다.

영어 실력이 부족해 오역이 있을 수도 있습니다.

원문 주소 : http://en.wikipedia.org/wiki/Builder_pattern



생성 패턴 - 빌더 패턴



The Builder Pattern(이하 빌더 패턴)은 객체 생성 소프트웨어 디자인 패턴이다. 이 패턴의 의도는 객체의 생성의 단계(steps)들을 추상화해서, 이런 생성 단계의 구현이 달라지면 객체의 다른 표현이 나오도록 하는 것이다. 종종 빌더 패턴은 composite 패턴에 따라 제품을 생성하기 위해 사용된다. 


정의 Definition

빌더 디자인 패턴의 의도는 복잡한 객체의 생성을 표현으로부터 분리시키는 것이다. 이렇게 함으로써 같은 생성 과정(process)에서 다른 표현을 만들어 낼 수 있다.


구조 Structure


Builder - 객체(제품)를 생성하는 추상 인터페이스

Concrete Builder - Builder의 구현 클래스. 다른 객체를 생성할 수 있도록 하는 구체적인 클래스. 객체를 만들기 위해 부분(부품)을 생성하고 조립한다.

Director - Director클래스는 객체 생성의 정확한 순서(sequenct)를 다루는 부분에 책임이 있다. 이 클래스는 ConcreteBuilder를 인자로 받아서 필요한 동작을 수행한다.

Product - Builder를 이용해서 Director가 만들어낸 최종 객체


유용한 팁 Useful tips

  • 빌더는 복잡한 객체를 한단계 한단계씩 생성하는데에 초점을 맞춘다. 추상 팩토리는 제품 객체들의 집단(군)을 강조한다.(생성되는 객체가 단일 객체이던지, 복잡한 객체이던지는 상관없다.) 빌더는 제품을 마지막 단계에 반환하지만, 추상 팩토리가 하는 것처럼 제품을 곧바로 얻어낸다.
  • 빌더는 주로 복잡한 객체(Composite)를 생성한다.
  • 종종, 설계는 팩토리 메서드를 사용해서 시작하지만 설계자가 어느 부분에 있어서 더 많은 유연성이 필요하냐를 발견함에 따라 추상 팩토리, 프로토타입 또는 빌더 등으로 발전하게 된다.
  • 가끔 생성 패턴은 상호 보완적이다. : 빌더는 어떤 컴포넌트가 만들어지는지 정하기 위해 다른 패턴들 중 하나를 사용할 수 있다. 추상 팩토리, 빌더, 프로토타입은 싱글톤을 구현에 사용할 수 있다.
  • 빌더는 fluent interface의 좋은 지원자이다.

예 Examples

Java

/** "Product" */
 class Pizza {
    private String dough = "";
    private String sauce = "";
    private String topping = "";
 
    public void setDough(String dough)     { this.dough = dough; }
    public void setSauce(String sauce)     { this.sauce = sauce; }
    public void setTopping(String topping) { this.topping = topping; }
 }
 
 
 /** "Abstract Builder" */
 abstract class PizzaBuilder {
    protected Pizza pizza;
 
    public Pizza getPizza() { return pizza; }
    public void createNewPizzaProduct() { pizza = new Pizza(); }
 
    public abstract void buildDough();
    public abstract void buildSauce();
    public abstract void buildTopping();
 }
 
 /** "ConcreteBuilder" */
 class HawaiianPizzaBuilder extends PizzaBuilder {
    public void buildDough()   { pizza.setDough("cross"); }
    public void buildSauce()   { pizza.setSauce("mild"); }
    public void buildTopping() { pizza.setTopping("ham+pineapple"); }
 }
 
 /** "ConcreteBuilder" */
 class SpicyPizzaBuilder extends PizzaBuilder {
    public void buildDough()   { pizza.setDough("pan baked"); }
    public void buildSauce()   { pizza.setSauce("hot"); }
    public void buildTopping() { pizza.setTopping("pepperoni+salami"); }
 }
 
 
 /** "Director" */
 class Waiter {
    private PizzaBuilder pizzaBuilder;
 
    public void setPizzaBuilder(PizzaBuilder pb) { pizzaBuilder = pb; }
    public Pizza getPizza() { return pizzaBuilder.getPizza(); }
 
    public void constructPizza() {
       pizzaBuilder.createNewPizzaProduct();
       pizzaBuilder.buildDough();
       pizzaBuilder.buildSauce();
       pizzaBuilder.buildTopping();
    }
 }
 
 
 /** A customer ordering a pizza. */
 class BuilderExample {
    public static void main(String[] args) {
        Waiter waiter = new Waiter();
        PizzaBuilder hawaiian_pizzabuilder = new HawaiianPizzaBuilder();
        PizzaBuilder spicy_pizzabuilder = new SpicyPizzaBuilder();
 
        waiter.setPizzaBuilder( hawaiian_pizzabuilder );
        waiter.constructPizza();
 
        Pizza pizza = waiter.getPizza();
    }
 }



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먼저 이 글은 영문 위키의 글을 번역한 것임을 알려드립니다.

영어 실력이 부족해 오역이 있을 수도 있으니 이해바랍니다.

원문 : http://en.wikipedia.org/wiki/Abstract_factory_pattern



생성 패턴 - Abstract Factory Pattern



The abstract factory pattern(이하 추상 팩토리 패턴)은 공통의 테마를 가진 팩토리의 그룹을 캡슐화하는 방법을 제공하는 소프트웨어 디자인 패턴이다. 일반적으로 클라이언트 소프트웨어는 추상 팩토리의 구체적인 구현체를 생성하고 그 구현체의 인터페이스를 사용한다. 클라이언트는 생성된 객체의 인터페이스만 사용하기 때문에 각각의 내부 팩토리로부터 얻는 구체적인 객체에 대해 알지 못한다. 이 패턴은 어던 객체들의 셋(또는 그룹)에 대한 구체적인 구현을 일반적인 사용법(인터페이스)로부터 분리시킨다. 


이에 대한 한 예를 들자. 

많은 종류의 제품(product)를 생성하는 인터페이스를 제공하는 DocumentCreator라는 추상 팩토리 클래스를 생각해볼 수 있다.(이 클래스는 createLetter()와 createResume()메서드를 이용해서 각각 편지와 이력서를 생성하도록 할 것이다.)

시스템은 DocumentCreator클래스를 상속한 몇몇 클래스를 가질 수 있다. 에를 들면 FancyDocumentCreator나 ModernDocumentCreator같은 클래스를 생각해 볼 수 있는데, 이 각각의 서브클래스는 createLetter()와 createResume()메서드를 각 클래스의 테마에 맞게 각각 다른 객체를 생성하도록할 수 있다. 

이렇게 생성되는 제품(여기에서 제품은 createLetter() 메서드로 생성되는 객체와 createResume() 메서드로 생성되는 객체를 의미한다.)은 클라이언트가 알고 있는 추상 클래스인 Letter와 Resume에서 유도된(derived, 서브클래스) 클래스이다.

클라이언트 코드에서는 DocumentCreator의 적절한 인스턴스(객체, 서브클래스)를 얻을 것이고 팩토리 메서드를 호출할 것이다. 각각의 결과 객체(각각의 결과 객체라 함은 Letter와 Resume라는 생성된 객체를 의미한다.)는 같은 DocumentCreator의 구현체로부터 만들어질 것이고, 같은 테마를 공유할 것이다. (추가 설명 : 클라이언트 코드에서는 FancyDocumentCreator나 ModernDocumentCreator 둘 중 하나의 추상 팩토리를 사용할 것이고, 둘 중 결정된 추상 팩토리에 따라 테마가 결정될 것이다. 즉, fancy테마인지 modern테마인지가 추상 팩토리를 결정하는 단계에서 결정이 되고, 클라이언트 코드에서 createLetter(), createResume()를 이용해서 생성한 객체는 같은 테마일 수 밖에 없을 것이다. 다시 말하면 FancyResume 객체와 ModernLetter를 같이 사용하는 일을 없다는 의미이다.) 클라이언트는 추상클래스인 Letter나 Resume에 대해서만 알면되고, 각각의 구체적인 클래스가 무엇인지에 대해서는 알 필요가 없다. 왜냐하면 그 구체적인 부분은 서브클래스 팩토리에서 결정하면 되는 부분이기 때문이다. 


팩토리는 어떤 객체들을 생성할 지 결정하는 위치(구체적인 클래스)이다. 이 패턴을 사용하는 목적은 객체의 생성을 사용하는 곳으로부터 분리시키는 것이다. 이는 베이스 클래스를 사용하는 코드(클라이언트 코드)에서 변경없이 새로운 타입의 서브클래스를 사용하도록 한다.


이 패턴을 사용하면 클라이언트 코드의 변경없이(심지어는 실행중에도) 구체 클래스를 교환하는 것이 가능하다는 것이다. 하지만 이패턴을 사용하면 비슷한 다른 패턴과 마찬가지로 불필요한 복잡도를 증가시킬 수 있고, 코드의 초기 작성에서 추가적인 작업이 들어갈 수 있다. 


정의 Definition

추상 팩토리 매서드 패턴의 정수(essence)는 "관련된 객체들의 집단(군, family)를 생성하는 인터페이스를 제공하되, 생성되는 객체의 구체적인 클래스를 알 필요없다"는 것이다.


사용법 Usage

팩토리는 생성될 객체의 구체적인 타입을 결정하고, 또한 구체적인 클래스가 생성되는 곳이다.

하지만, 팩토리는 생성되는 구체적인 객체의 추상 포인터만 반환한다.

이는 클라이언트가 팩토리 객체에게 생성할 객체의 추상 포인터를 리턴하도록 요청하기 때문에, 클라이언트 코드와 객체 생성을 분리시킨다. 

팩토리는 오직 추상 포인터만 반환을 하기 때문에, 클라이언트 코드는 실제 생성되는 객체의 구체적인 타입을 알 필요가 없다. 하지만, 구체적인 객체의 타입은 추상 팩토리가 알고 있다. (예를들면 팩토리가 설정 파일에서 이에 대한 정보를 읽을 수도 있을 것이다.) 설정 파일에서 이미 타입을 구체적으로 표현했기 때문에, 클라이언트는 타입을 구체화할 필요가 없다. 

이는 아래 내용을 의미한다.

  • 클라이언트 코드는 생성하려는 객체의 구체적인 타입이 무엇이든간에 알 필요가 없다. (구체적인 타입과 관련된 헤더 파일이나 클래스 정의를 포함할 필요가 없다.) 클라이언트 코드는 오직 추상적인 타입만을 다룰 뿐이다. 구체적인 타입의 객체는 팩토리에 의해서 생성되고, 클라이언트 코드에서는 추상 인터페이스를 통해서만 그러한 객체에 접근을 하는 것이다. 
  • 새로운 구체적인 타입을 추가하는 것은 클라이언트에서 다른 팩토리를 사용하도록 수정함으로써 해결된다. 이는 단지 1 줄의 코드 변경으로 될 것이다.(그렇게 하면 다른 팩토리는 다른 구체적인 타입의 객체를 생성하지만, 여전히 같은 추상 클래스 의 포인터를 반환한다.) 이는 새로운 타입의 객체를 생성하기 위해 클라이언트 코드를 수정하는 것보다(추상 팩토리를 사용하지 않으면 새로운 객체를 생성하는 클라이언트 코드의 모든 곳을 변경해야만 한다.) 훨씬 쉬운 방법이다. 뿐만 아니라 추상 팩토리를 사용하지 않으면 새로운 객체를 생성하는 모든 코드에서 구체적인 클래스에 대한 헤더 파일을 포함시킴으로써 구체적인 클래스 타입을 알아야만 한다. 만약 모든 팩토리 객체가 하나의 전역 싱글톤(singleton)객체에 저장되어 있고, 모든 클라이언트 코드가 객체 생성을 위한 적절한 팩토리에 접근하기 위해 싱글톤을 이용한다면, 팩토리를 변경시키는 것은 싱글톤 객체를 변화시키는 것만큼 쉬운 일이다. 



구조 Structure


GuiFactory인터페이스의 createButton()메서드는 Button타입의 객체를 반환한다. 어떤 Button의 구체적인 타입이 반환되는지는 GuiFactory의 어떤 서브 클래스를 사용하는지에 따라 달려있다.

위의 예는 간결성을 위해서 한 객체의 생성에 관해서만 보여주고 있다. 

(실제 예에서는 createButton()뿐만 아니라, createLabel(), createImageView(), createPane() 등의 메서드가 있을 수 있다.)


예 Example

어떤 타입의 팩토리를 사용하냐에 따라 출력물은 "I'm a WinButton"이나 "I'm an OSXButton"이 될 것이다. 이 애플리케이션은 어떤 종류의 GUIFactory가 사용되는지, 또 어떤 타입의 Button이 사용되는지 알지 못한다는 점에 주목하자.


Java


/* GUIFactory example -- */
 
interface GUIFactory {
    public Button createButton();
}
 
class WinFactory implements GUIFactory {
    public Button createButton() {
        return new WinButton();
    }
}
class OSXFactory implements GUIFactory {
    public Button createButton() {
        return new OSXButton();
    }
}
 
interface Button {
    public void paint();
}
 
class WinButton implements Button {
    public void paint() {
        System.out.println("I'm a WinButton");
    }
}
class OSXButton implements Button {
    public void paint() {
        System.out.println("I'm an OSXButton");
    }
}
 
class Application {
    public Application(GUIFactory factory) {
        Button button = factory.createButton();
        button.paint();
    }
}
 
public class ApplicationRunner {
    public static void main(String[] args) {
        new Application(createOsSpecificFactory());
    }
 
    public static GUIFactory createOsSpecificFactory() {
        int sys = readFromConfigFile("OS_TYPE");
        if (sys == 0) {
            return new WinFactory();
        } else {
            return new OSXFactory();
        }
    }
}



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Posted by Code-Moon

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이 글은 영문 위키피디아 페이지를 번역한 글 임을 먼저 알려드립니다.

영어 실력이 부족해서 다소 오역이 있을 수도 있습니다.

원문 주소 : http://en.wikipedia.org/wiki/Factory_method_pattern



생성 패턴 - Factory Method Pattern



팩토리 메서드 패턴은 공장의 개념을 구현하기 위한 객체지향 디자인 패턴이다. 다른 생성 패턴(creational patterns)들과 마찬가지로 이 패턴은 생성할 객체에 대한 정확한 클래스를 구분할 필요없이(알 필요없이) 객체를 생성하는 것에 대한 문제를 다룬다. 주로 객체를 생성할 때 보면, 그 객체를 결합하는(사용하는) 객체에서는 굳이 필요하지 않은 복잡한 과정이 필요하다. 객체의 생성은 심각한 코드의 중복을 야기할 수 있고, 결합하는(사용하는) 객체에서 접근할 수 없는 정보들을 요구할 수도 있으며, 충분한 추상화 단계를 제공하기 힘들 수도 있고, 결합하는(사용하는) 객체의 관심사에는 포함되지 않을 수도 있다. 팩토리 매서드 패턴은 객체를 생성할 때 별도의 메서드를 정의하고, 서브클래스에서 생성될 객체의 종류를 정할 수 있게 함으로써 이런 문제들을 해결한다.


객체의 생성에 필요한 과정들을 보면, 객체의 생명주기를 다루는 문제가 포함되고, 객체의 생성(build-up)과 파괴(tear-down)에 관련된 구체적인 문제를 다루는 것도 포함된다. 디자인 패턴의 범위 밖에서 봐도, 팩토리 매서드라는 용어 또한 팩토리(여기에서 팩토리의 주 목적은 객체 생성이다.)의 메서드를 지칭할 수도 있다. 





정의 Definition

팩토리 매서드 패턴의 진수는 "객체의 생성에 관련된 인터페이스를 정의하고, 인터페이스를 구현하는 클래스에서 어떤 클래스를 인스턴스화(생성)할 것인지 정하게 두는 것이다. 즉 팩토리 메서드는 서브클래스에서 인스턴스화를 하도록 미루는 것이다."


일반적인 사용 Common usage

팩토리 메서드는 툴킷과 프레임웍에서 일반적으로 사용된다. 라이브러리 코드에서 객체를 생성할 필요가 있는데, 그 객체는 프레임웍을 사용하는 애플리케이션에 의해 서브클래싱될 수도 있을 것이다. 

평행한 클래스 계층에서는 주로 다른 계층으로부터 적절한 객체를 생성하는 것이 가능하도록  한 계층으로부터 객체를 요구한다. 

팩토리 메서드는 TDD(test-driven development)에서 클래스를 테스트하기 위해 사용됩니다. 만약 Foo라는 클래스가 Dangerous라는 객체를 생성하는데 이 Dangerous 객체가 유닛테스트에 사용될 수 없을 수 있습니다.(Dangerous 객체가 데이터 베이스와 통신을 하는데, 이 데이터베이스가 사용 불가능할 수도 있는 경우) 이럴 때 Dangerous 객체의 생성을 Foo클래스의 가상의 팩토리 매서드인 createDangerous에 둘 수 있습니다. 테스트를 위해서 TestFoo(Foo클래스의 서브클래스)를 만들고 가상의 팩토리 메서드인 createDangerous를 오버라이드해서 FakeDangerous(말 그대로 가짜 객체입니다.)라는 객체를 반환할 수 있겠죠. 그러면 유닛 테스트에서 TestFoo를 사용해서 Foo클래스의 기능을 테스트할 수 있습니다. Foo클래스를 그대로 사용했을 때 Dangerous객체의 부작용(데이터베이스가 사용 불가능한 상황)이 생길 수 있는데 이러한 부작용없이 테스트가 가능하겠죠.


적용 가능성 Applicability

팩토리 메서드는 다음과 같은 상황에서 사용될 수 있다.

  • 한 객체의 생성이 코드의 중복없이 재사용하는 것을 못하도록 하는 상황일 때
  • 한 객체의 생성이 결합하는(사용하는) 클래스에서 필요하지 않은 정보나 리소스에 접근해야 할 때
  • 애플리케이션에서 일관성 있는 동작을 하기 위해 생성된 객체의 살아있는 시간(lifetime)의 관리가 중앙에서 관리할 필요가 있을 때

다른 이점과 변종 Other benefits and variants

팩토리 메서드 패턴의 뒤에 있는 동기는 서브클래스에게 어떤 타입의 객체를 생성할지 선택하는 것을 허락하는 것이지만, 팩토리 메서드를 사용하는데에는 다른 이점도 있다. 이런 이익의 대부분은 서브 클래싱의 의존하지 않는다. 이런 다른 이점을 위해 객체를 생성하는데에 다형성(polymorphic)을 사용하지 않고 팩토리 메서드를 정의하는 것이 일반적이고, 그러한 메서드는 종종 static 메서드이다. 


서술적인 이름 Descriptive names

팩토리 매서드는 특별한 이름을 가지고 있다. 많은 객체 지향 언어에서 생성자는 클래스 이름과 같아야 하는데, 이는 객체를 생서하는 방법이 한가지 이상일 경우에 모호성을 야기할 수 있다. 팩토리 메서드에서는 그러한 제약이 없고 서술적인 이름을 가질 수 있다. 예를 들자면, 복수(complex numbers)가 두개의 실수로 만들어 진다면, 이 두개의 실수는 카테시안 좌표계나 극 좌표계로 해석되어질 수 있다. 하지만 팩토리 매서드를 사용했을 때에는 그 의미가 확실해진다.

(아래는 자바에서의 예이다.)



class Complex {
     public static Complex fromCartesian(double real, double imaginary) {
         return new Complex(real, imaginary);
     }
 
     public static Complex fromPolar(double modulus, double angle) {
         return new Complex(modulus * cos(angle), modulus * sin(angle));
     }
 
     private Complex(double a, double b) {
         //...
     }
}
 
 Complex c = Complex.fromPolar(1, pi);

이와 같이 팩토리 메서드가 명확화를 위해 사용될때에는,  클라이언트에서 팩토리 메서드를 통해서 객체를 생성할 수 밖에 없게끔 생성자는 주로 private으로 만들어진다.


캡슐화 Encapsulation

팩토리 메서드는 객체의 생성을 캡슐화한다. 이는 생성 절차가 매우 복잡한 경우에 유용할 수 있다. 예를들면, 설정 파일이나 사용자의 입력에 따라 객체 생성 과정이 달라질때 말이다. 

이미지 파일을 읽어서 섬네일을 만드는 프로그램을 생각해보자. 그 프로그램은 각 포멧에 대해 리더 클래스(reader class)로 표현되는 다른 이미지 포맷을 지원한다.




public interface ImageReader {
    public DecodedImage getDecodedImage();
}
 
public class GifReader implements ImageReader {
    public DecodedImage getDecodedImage() {
        // ...
        return decodedImage;
    }
}
 
public class JpegReader implements ImageReader {
    public DecodedImage getDecodedImage() {
        // ...
        return decodedImage;
    }
}

이 프로그램은 매번 이미지를 읽을 때마다 파일에 있는 정보에 기반해 적절한 타입의 리더를 생생하는 과정이 필요하다. 이러한 로직은 팩토리 메서드로 캡슐화할 수 있다.



public class ImageReaderFactory {
    public static ImageReader getImageReader(InputStream is) {
        int imageType = determineImageType(is);
 
        switch (imageType) {
            case ImageReaderFactory.GIF:
                return new GifReader(is);
            case ImageReaderFactory.JPEG:
                return new JpegReader(is);
            // etc.
        }
    }
}

앞에 나온 예제에서 코드 조각(fragment)은 이미지 타입과 특정 팩토리 객체를 연결하기 위해서 스위치 문(switch)을 사용한다.  이방법을 대신해서 이러한 관계는 맵핑(mapping)으로도 구현될 수 있다. 이는 스위치 문을 associatvie array로 대체할 수도 있음을 말한다. 


구현 예 Example Implementations

Java

두가지 모드로 즐길 수 있는 미로 게임. 첫번째 모드는 보통의 방들이 인접한 방에만 연결이 되어 있는 모드이고, 두번째 모드에서는 마술방이 있는데 이 방은 플레이어를 랜덤한 위치로 이동시켜준다. 보통 게임 모드(첫번째 모드)는 템플릿 메서드를 사용해서 구현할 수 있다. 



public class MazeGame {
  public MazeGame() {
     Room room1 = makeRoom();
     Room room2 = makeRoom();
     room1.connect(room2);
     this.addRoom(room1);
     this.addRoom(room2);
  }
 
  protected Room makeRoom() {
     return new OrdinaryRoom();
  }
}


위의 코드 토막에서 MazeGame 생성자는 공통 로직을 만드는 템플릿 메서드이다. 이 생성자는 makeRoom() 팩토리 메서드를 호출하는데, 이 팩토리 메서드는 서브클래스에서 사용될 수 있는 다른 방들의 생성을 캡슐화하고 있다. 마술 방을 가지고 있는 다른 게임 모드(두번째 모드)를 구현하기 위해 makeRoom()메서드를 오버라이드 해야한다. 



public class MagicMazeGame extends MazeGame {
  @Override
  protected Room makeRoom() {
      return new MagicRoom();
  }
}


한계 Limitations

팩토리 메서드를 사용하는데에는 3가지 한계점이 있다. 첫번째는 기존 코드를 리팩토링하는 것과 관련이 있고, 나머지 두가지는 클래스를 확장하는 것과(클래스 상속) 관련이 있다. 

  • 첫 번째 한계는 팩토리를 사용하기 위해 기존 클래스를 리팩토링하는 것이 기존 클라이언트 코드를 깬다(break)는 점이다. 예를 들어, Complex클래스가 표준(standard) 클래스였다고하면, 이 클래스는 다음 코드와 같이 많은 클라이언트를 가지고 있을지도 모른다.(여기에서 클라이언트는 Complex클래스를 사용하는 클래스를 의미하는 것 같네요.)
  • Complex c = new Complex(-1, 0);
    
    일단 우리가 다른 두 개의 팩토리가 필요하다는 사실을 알게된다면, 우리는 그 클래스를 바꿀 것이다.  하지만 이제 생성자가 private이 되었기때문에 기존 클라이언트 코드는 더 이상 컴파일이 안된다.(사용할 수 없다.)

  • 두 번째 한계는 private 생성자를 사용하기 때문에 해당 클래스를 확장할 수 없다(상속받을 수 없다)는 점이다. 서브 클래스는 상속받은 생성자를 호출해야만하지만, 생성자가 private이라면 이는 불가능한 일이다.
  • 세 번째 한계는 만약 우리가 그 클래스를 확장한다면(예를들어 생성자를 protected로 만듦으로써 가능하다 - 이는 위험하지만 실현 가능하다.), 서브클래스는 부모가 가지고 있는 모든 팩토리 메서드를 완전히 같은 시그너쳐(signature, 같은 인자를 가지는 메서드를 의미하는 듯?)를 가지고 재구현해야만 한다.  예를 들어, StrangeComplex가 Complex클래스를 확장하는데 StrangeComplex 가 부모의 모든 팩토리 메서드를 재구현하지 않는다면 StrangeComplex.fromPolar(1, pi)같은 팩토리 메서드를 호출할 때 서브 클래스인 StrangeComplex의 객체가 생성되는 게 아니라, 수퍼클래스인 Complex객체가 생성될 것이다. 

이 세가지 문제들은 모두 팩토리를 최상위 클래스 멤버로 만듦으로써 완화시킬 수 있는 문제들이다. (잘 이해는 안되지만 아마 팩토리에서 생성하는 객체를 Abstract Class 또는 Virtual Class 또는 Interface로 만들면 해결된다는 것 같기도 하다.)





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