原型模式详解
定义
原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它允许通过复制已有对象来创建新对象，而不是直接通过实例化类来创建。
这种模式提供了一种创建对象的快捷方式，尤其适用于对象创建成本高或需要深复制的场景。
原型模式的特点
优点
- 性能优化：通过复制已有对象，避免昂贵的资源初始化操作。
- 简化对象创建：隐藏复杂的构造过程，减少耦合。
- 动态增加产品种类：无需修改代码，可以通过复制现有对象快速生成新对象。
缺点
- 深浅复制问题：需要对对象中包含的引用类型进行深复制，增加实现复杂性。
- 对克隆方法的依赖：每个类都需要实现自己的克隆逻辑，可能增加代码量。
适用场景
- 对象创建成本高
比如通过网络加载大数据对象或复杂初始化的对象。 - 对象状态的动态变化
比如需要复制对象以保存当前状态。 - 需要避免工厂模式的复杂性
通过复制对象创建实例比工厂方法更简单直接。 - 游戏开发
克隆游戏角色、技能等对象，避免重复创建。
原型模式的结构
核心角色
- 抽象原型（Prototype）：定义一个接口，用于克隆自身。
- 具体原型（Concrete Prototype）：实现克隆方法，并返回自身的副本。
- 客户端（Client）：通过调用原型对象的克隆方法来创建新对象。
使用案例
案例 1：文档编辑器
在图形化编辑器中复制图形或文档内容。
案例 2：数据库记录缓存
复制已有的数据记录以快速生成新记录。
案例 3：游戏角色克隆
玩家角色或敌人角色的复制，避免重复初始化。
原型模式的实现
C++ 实现
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
// 抽象原型
class Prototype {
public:
virtual std::unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;
virtual void display() const = 0;
virtual ~Prototype() = default;
};
// 具体原型 1
class ConcretePrototypeA : public Prototype {
std::string state;
public:
ConcretePrototypeA(const std::string& s) : state(s) {}
std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
return std::make_unique<ConcretePrototypeA>(*this); // 浅复制
}
void display() const override {
std::cout << "ConcretePrototypeA with state: " << state << std::endl;
}
};
// 具体原型 2
class ConcretePrototypeB : public Prototype {
int value;
public:
ConcretePrototypeB(int v) : value(v) {}
std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
return std::make_unique<ConcretePrototypeB>(*this); // 浅复制
}
void display() const override {
std::cout << "ConcretePrototypeB with value: " << value << std::endl;
}
};
// 客户端代码
int main() {
std::unique_ptr<Prototype> prototypeA = std::make_unique<ConcretePrototypeA>("Initial State");
std::unique_ptr<Prototype> cloneA = prototypeA->clone();
cloneA->display();
std::unique_ptr<Prototype> prototypeB = std::make_unique<ConcretePrototypeB>(42);
std::unique_ptr<Prototype> cloneB = prototypeB->clone();
cloneB->display();
return 0;
}
C# 实现
using System;
// 抽象原型
public abstract class Prototype {
public abstract Prototype Clone();
public abstract void Display();
}
// 具体原型 1
public class ConcretePrototypeA : Prototype {
private string State;
public ConcretePrototypeA(string state) {
State = state;
}
public override Prototype Clone() {
return (Prototype)this.MemberwiseClone(); // 浅复制
}
public override void Display() {
Console.WriteLine($"ConcretePrototypeA with state: {State}");
}
}
// 具体原型 2
public class ConcretePrototypeB : Prototype {
private int Value;
public ConcretePrototypeB(int value) {
Value = value;
}
public override Prototype Clone() {
return (Prototype)this.MemberwiseClone(); // 浅复制
}
public override void Display() {
Console.WriteLine($"ConcretePrototypeB with value: {Value}");
}
}
// 客户端代码
class Program {
static void Main(string[] args) {
Prototype prototypeA = new ConcretePrototypeA("Initial State");
Prototype cloneA = prototypeA.Clone();
cloneA.Display();
Prototype prototypeB = new ConcretePrototypeB(42);
Prototype cloneB = prototypeB.Clone();
cloneB.Display();
}
}
原型模式的类图
原型模式的扩展
1. 深复制与浅复制
- 浅复制：复制对象时，引用类型的字段仍指向同一个对象。
- 深复制：复制对象时，同时复制所有引用类型的字段内容，生成新的对象实例。
2. 结合注册表模式
将原型对象注册到一个集中管理的注册表中，客户端可以通过键值对直接获取克隆。
3. 与其他模式结合
- 与工厂模式结合：工厂提供原型的注册和克隆服务。
- 与装饰器模式结合：克隆对象后对其进行装饰，动态添加功能。
原型模式与其他模式对比
| 特性 | 原型模式 | 工厂模式 |
| 关注点 | 通过复制现有对象创建新对象 | 通过实例化类创建对象 |
| 适用场景 | 对象初始化复杂或需要复制时 | 创建独立新对象时 |
| 灵活性 | 更高（动态克隆对象） | 较低（需修改工厂实现） |
总结
原型模式通过复制已有对象，提供了一种高效的对象创建方式，适合对象初始化开销高或需要频繁复制的场景。其核心在于克隆方法的实现，正确处理深浅复制关系是关键。在实践中，原型模式通常与其他模式结合使用，如工厂模式、注册表模式，进一步提高代码的灵活性和复用性。
