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GoFデザインパターン - 生成パターン（Creational Patterns）

生成パターンは、オブジェクトの生成メカニズムを抽象化し、システムをより柔軟で再利用可能にするためのパターンです。

1. Singleton（シングルトン）​

概要​

クラスのインスタンスが1つしか存在しないことを保証し、グローバルなアクセスポイントを提供します。

使用場面​

  • 設定管理
  • ロガー
  • データベース接続プール
  • キャッシュマネージャー

サンプルコード​

// スレッドセーフなシングルトン実装
public sealed class ConfigurationManager
{
    private static readonly Lazy<ConfigurationManager> _instance = 
        new Lazy<ConfigurationManager>(() => new ConfigurationManager());

    private Dictionary<string, string> _settings;

    // プライベートコンストラクタ
    private ConfigurationManager()
    {
        _settings = new Dictionary<string, string>
        {
            { "ApiUrl", "https://api.example.com" },
            { "Timeout", "30" }
        };
    }

    public static ConfigurationManager Instance => _instance.Value;

    public string GetSetting(string key)
    {
        return _settings.TryGetValue(key, out var value) ? value : null;
    }

    public void SetSetting(string key, string value)
    {
        _settings[key] = value;
    }
}

// 使用例
class Program
{
    static void Main()
    {
        var config1 = ConfigurationManager.Instance;
        var config2 = ConfigurationManager.Instance;

        Console.WriteLine(ReferenceEquals(config1, config2)); // True

        string apiUrl = config1.GetSetting("ApiUrl");
        Console.WriteLine($"API URL: {apiUrl}");
    }
}

2. Factory Method（ファクトリメソッド）​

概要​

オブジェクト生成のためのインターフェースを定義し、どのクラスをインスタンス化するかをサブクラスに決定させます。

使用場面​

  • ログ出力先の切り替え（ファイル、コンソール、データベース）
  • 支払い方法の選択（クレジットカード、PayPal、銀行振込）
  • データベース接続の抽象化

サンプルコード​

// 製品インターフェース
public interface ILogger
{
    void Log(string message);
}

// 具象製品
public class FileLogger : ILogger
{
    public void Log(string message)
    {
        Console.WriteLine($"[FILE] {DateTime.Now}: {message}");
        // 実際にはファイルに書き込む処理
    }
}

public class ConsoleLogger : ILogger
{
    public void Log(string message)
    {
        Console.WriteLine($"[CONSOLE] {DateTime.Now}: {message}");
    }
}

public class DatabaseLogger : ILogger
{
    public void Log(string message)
    {
        Console.WriteLine($"[DATABASE] {DateTime.Now}: {message}");
        // 実際にはデータベースに保存する処理
    }
}

// Creator（抽象クラス）
public abstract class LoggerFactory
{
    // Factory Method
    public abstract ILogger CreateLogger();

    public void LogMessage(string message)
    {
        ILogger logger = CreateLogger();
        logger.Log(message);
    }
}

// 具象Creator
public class FileLoggerFactory : LoggerFactory
{
    public override ILogger CreateLogger()
    {
        return new FileLogger();
    }
}

public class ConsoleLoggerFactory : LoggerFactory
{
    public override ILogger CreateLogger()
    {
        return new ConsoleLogger();
    }
}

// 使用例
class Program
{
    static void Main()
    {
        LoggerFactory factory;

        // 環境に応じてファクトリを切り替え
        string environment = "production";

        if (environment == "production")
        {
            factory = new FileLoggerFactory();
        }
        else
        {
            factory = new ConsoleLoggerFactory();
        }

        factory.LogMessage("Application started");
    }
}

3. Abstract Factory（抽象ファクトリ）​

概要​

関連する、または依存しあうオブジェクト群を、具象クラスを指定せずに生成するためのインターフェースを提供します。

使用場面​

  • UI要素のテーマ切り替え（Windows、Mac、Linux）
  • データベースの切り替え（SQL Server、PostgreSQL、MySQL）
  • クロスプラットフォーム対応

サンプルコード​

// 抽象製品A
public interface IButton
{
    void Render();
    void Click();
}

// 抽象製品B
public interface ITextBox
{
    void Render();
    string GetText();
}

// 具象製品 - Windows
public class WindowsButton : IButton
{
    public void Render()
    {
        Console.WriteLine("Rendering Windows style button");
    }

    public void Click()
    {
        Console.WriteLine("Windows button clicked");
    }
}

public class WindowsTextBox : ITextBox
{
    public void Render()
    {
        Console.WriteLine("Rendering Windows style textbox");
    }

    public string GetText()
    {
        return "Windows textbox content";
    }
}

// 具象製品 - Mac
public class MacButton : IButton
{
    public void Render()
    {
        Console.WriteLine("Rendering Mac style button");
    }

    public void Click()
    {
        Console.WriteLine("Mac button clicked");
    }
}

public class MacTextBox : ITextBox
{
    public void Render()
    {
        Console.WriteLine("Rendering Mac style textbox");
    }

    public string GetText()
    {
        return "Mac textbox content";
    }
}

// 抽象ファクトリ
public interface IGUIFactory
{
    IButton CreateButton();
    ITextBox CreateTextBox();
}

// 具象ファクトリ
public class WindowsFactory : IGUIFactory
{
    public IButton CreateButton()
    {
        return new WindowsButton();
    }

    public ITextBox CreateTextBox()
    {
        return new WindowsTextBox();
    }
}

public class MacFactory : IGUIFactory
{
    public IButton CreateButton()
    {
        return new MacButton();
    }

    public ITextBox CreateTextBox()
    {
        return new MacTextBox();
    }
}

// クライアントコード
public class Application
{
    private IButton _button;
    private ITextBox _textBox;

    public Application(IGUIFactory factory)
    {
        _button = factory.CreateButton();
        _textBox = factory.CreateTextBox();
    }

    public void Render()
    {
        _button.Render();
        _textBox.Render();
    }
}

// 使用例
class Program
{
    static void Main()
    {
        IGUIFactory factory;
        string os = Environment.OSVersion.Platform.ToString();

        // OSに応じてファクトリを選択
        if (os.Contains("Win"))
        {
            factory = new WindowsFactory();
        }
        else
        {
            factory = new MacFactory();
        }

        Application app = new Application(factory);
        app.Render();
    }
}

4. Builder（ビルダー）​

概要​

複雑なオブジェクトの構築プロセスを表現から分離し、同じ構築プロセスで異なる表現を生成できるようにします。

使用場面​

  • 複雑なオブジェクトの段階的な構築
  • 不変オブジェクトの生成
  • テストデータの作成
  • SQLクエリの構築

サンプルコード​

// 製品クラス
public class EmailMessage
{
    public string To { get; set; }
    public string From { get; set; }
    public string Subject { get; set; }
    public string Body { get; set; }
    public List<string> Cc { get; set; } = new List<string>();
    public List<string> Bcc { get; set; } = new List<string>();
    public List<string> Attachments { get; set; } = new List<string>();
    public bool IsHtml { get; set; }
    public Priority Priority { get; set; }

    public void Display()
    {
        Console.WriteLine($"To: {To}");
        Console.WriteLine($"From: {From}");
        Console.WriteLine($"Subject: {Subject}");
        Console.WriteLine($"Body: {Body}");
        if (Cc.Any()) Console.WriteLine($"Cc: {string.Join(", ", Cc)}");
        if (Bcc.Any()) Console.WriteLine($"Bcc: {string.Join(", ", Bcc)}");
        if (Attachments.Any()) Console.WriteLine($"Attachments: {string.Join(", ", Attachments)}");
        Console.WriteLine($"HTML: {IsHtml}");
        Console.WriteLine($"Priority: {Priority}");
    }
}

public enum Priority
{
    Low,
    Normal,
    High
}

// Builderインターフェース
public interface IEmailBuilder
{
    IEmailBuilder SetTo(string to);
    IEmailBuilder SetFrom(string from);
    IEmailBuilder SetSubject(string subject);
    IEmailBuilder SetBody(string body);
    IEmailBuilder AddCc(string cc);
    IEmailBuilder AddBcc(string bcc);
    IEmailBuilder AddAttachment(string attachment);
    IEmailBuilder SetIsHtml(bool isHtml);
    IEmailBuilder SetPriority(Priority priority);
    EmailMessage Build();
}

// 具象Builder
public class EmailBuilder : IEmailBuilder
{
    private EmailMessage _email = new EmailMessage();

    public IEmailBuilder SetTo(string to)
    {
        _email.To = to;
        return this;
    }

    public IEmailBuilder SetFrom(string from)
    {
        _email.From = from;
        return this;
    }

    public IEmailBuilder SetSubject(string subject)
    {
        _email.Subject = subject;
        return this;
    }

    public IEmailBuilder SetBody(string body)
    {
        _email.Body = body;
        return this;
    }

    public IEmailBuilder AddCc(string cc)
    {
        _email.Cc.Add(cc);
        return this;
    }

    public IEmailBuilder AddBcc(string bcc)
    {
        _email.Bcc.Add(bcc);
        return this;
    }

    public IEmailBuilder AddAttachment(string attachment)
    {
        _email.Attachments.Add(attachment);
        return this;
    }

    public IEmailBuilder SetIsHtml(bool isHtml)
    {
        _email.IsHtml = isHtml;
        return this;
    }

    public IEmailBuilder SetPriority(Priority priority)
    {
        _email.Priority = priority;
        return this;
    }

    public EmailMessage Build()
    {
        return _email;
    }
}

// Director（オプション）
public class EmailDirector
{
    public EmailMessage CreateWelcomeEmail(IEmailBuilder builder, string recipient)
    {
        return builder
            .SetTo(recipient)
            .SetFrom("noreply@example.com")
            .SetSubject("Welcome to Our Service")
            .SetBody("<h1>Welcome!</h1><p>Thank you for joining us.</p>")
            .SetIsHtml(true)
            .SetPriority(Priority.Normal)
            .Build();
    }

    public EmailMessage CreateUrgentNotification(IEmailBuilder builder, string recipient)
    {
        return builder
            .SetTo(recipient)
            .SetFrom("admin@example.com")
            .SetSubject("URGENT: Action Required")
            .SetBody("Please take immediate action on this matter.")
            .SetPriority(Priority.High)
            .AddAttachment("details.pdf")
            .Build();
    }
}

// 使用例
class Program
{
    static void Main()
    {
        // 直接ビルダーを使用
        var builder = new EmailBuilder();
        var email1 = builder
            .SetTo("user@example.com")
            .SetFrom("sender@example.com")
            .SetSubject("Hello")
            .SetBody("This is a test email")
            .AddCc("cc@example.com")
            .AddAttachment("document.pdf")
            .SetPriority(Priority.High)
            .Build();

        email1.Display();
        Console.WriteLine("\n---\n");

        // Directorを使用
        var director = new EmailDirector();
        var email2 = director.CreateWelcomeEmail(new EmailBuilder(), "newuser@example.com");
        
        email2.Display();
    }
}

5. Prototype（プロトタイプ）​

概要​

生成するオブジェクトの種類を原型となるインスタンスで指定し、それをコピーすることで新しいオブジェクトを生成します。

使用場面​

  • オブジェクトの生成コストが高い場合
  • 既存のオブジェクトの設定を引き継ぎたい場合
  • 複雑な初期化が必要なオブジェクト
  • ゲーム開発でのエンティティ複製

サンプルコード​

// プロトタイプインターフェース
public interface IPrototype<T>
{
    T Clone();
}

// 具象プロトタイプ
public class Employee : IPrototype<Employee>
{
    public string Name { get; set; }
    public string Department { get; set; }
    public Address Address { get; set; }
    public List<string> Skills { get; set; }
    public decimal Salary { get; set; }

    public Employee()
    {
        Skills = new List<string>();
    }

    // シャローコピー
    public Employee ShallowClone()
    {
        return (Employee)this.MemberwiseClone();
    }

    // ディープコピー
    public Employee Clone()
    {
        var clone = (Employee)this.MemberwiseClone();
        
        // 参照型のディープコピー
        clone.Address = new Address
        {
            Street = this.Address.Street,
            City = this.Address.City,
            ZipCode = this.Address.ZipCode
        };
        
        clone.Skills = new List<string>(this.Skills);
        
        return clone;
    }

    public void Display()
    {
        Console.WriteLine($"Name: {Name}");
        Console.WriteLine($"Department: {Department}");
        Console.WriteLine($"Address: {Address.Street}, {Address.City}, {Address.ZipCode}");
        Console.WriteLine($"Skills: {string.Join(", ", Skills)}");
        Console.WriteLine($"Salary: {Salary:C}");
    }
}

public class Address
{
    public string Street { get; set; }
    public string City { get; set; }
    public string ZipCode { get; set; }
}

// プロトタイプレジストリ（オプション）
public class EmployeeRegistry
{
    private Dictionary<string, Employee> _prototypes = new Dictionary<string, Employee>();

    public void RegisterPrototype(string key, Employee prototype)
    {
        _prototypes[key] = prototype;
    }

    public Employee GetPrototype(string key)
    {
        return _prototypes.ContainsKey(key) ? _prototypes[key].Clone() : null;
    }
}

// 使用例
class Program
{
    static void Main()
    {
        // オリジナルのEmployeeオブジェクトを作成
        var originalEmployee = new Employee
        {
            Name = "John Doe",
            Department = "Engineering",
            Address = new Address
            {
                Street = "123 Main St",
                City = "Tokyo",
                ZipCode = "100-0001"
            },
            Salary = 80000m
        };
        originalEmployee.Skills.Add("C#");
        originalEmployee.Skills.Add(".NET");

        Console.WriteLine("Original Employee:");
        originalEmployee.Display();
        Console.WriteLine("\n---\n");

        // ディープコピーを作成
        var clonedEmployee = originalEmployee.Clone();
        clonedEmployee.Name = "Jane Smith";
        clonedEmployee.Department = "Marketing";
        clonedEmployee.Address.City = "Osaka";
        clonedEmployee.Skills.Add("SQL");

        Console.WriteLine("Cloned Employee:");
        clonedEmployee.Display();
        Console.WriteLine("\n---\n");

        Console.WriteLine("Original Employee (変更されていない):");
        originalEmployee.Display();
        Console.WriteLine("\n---\n");

        // レジストリパターンの使用
        var registry = new EmployeeRegistry();
        
        var seniorDevPrototype = new Employee
        {
            Department = "Engineering",
            Address = new Address { City = "Tokyo" },
            Salary = 100000m
        };
        seniorDevPrototype.Skills.AddRange(new[] { "C#", ".NET", "Azure", "SQL" });
        
        registry.RegisterPrototype("SeniorDeveloper", seniorDevPrototype);

        // プロトタイプから新しいインスタンスを作成
        var newDeveloper = registry.GetPrototype("SeniorDeveloper");
        newDeveloper.Name = "Mike Wilson";
        newDeveloper.Address.Street = "456 Tech Ave";
        newDeveloper.Address.ZipCode = "100-0002";

        Console.WriteLine("New Developer from Prototype:");
        newDeveloper.Display();
    }
}

まとめ​

生成パターンの比較：

パターン主な目的使用場面
Singletonインスタンスを1つに制限設定管理、ロガー、キャッシュ
Factory Methodサブクラスが生成するクラスを決定ログ出力先の切り替え、プラグイン
Abstract Factory関連オブジェクト群の生成UI要素のテーマ切り替え
Builder複雑なオブジェクトの段階的構築不変オブジェクト、複雑な設定
Prototypeオブジェクトのクローン生成コストが高い、複雑な初期化

選択のガイドライン​

  • インスタンスが1つだけ必要 → Singleton
  • 生成するクラスを実行時に決定 → Factory Method
  • 関連するオブジェクト群をまとめて生成 → Abstract Factory
  • 複雑なオブジェクトを段階的に構築 → Builder
  • 既存のオブジェクトをコピーして生成 → Prototype