设计模式-原型模式-C++

一、引言

原型模式是一种创建型设计模式，它允许通过复制现有的实例来创建新对象，而不是通过构造函数创建新对象。使用原型模式可以简化对象的创建过程，尤其是在对象创建过程复杂或者资源消耗昂贵的情况下。

二、使用场景

1. 性能优化：当对象的创建成本较高（如涉及复杂的初始化过程或消耗大量资源时），原型模式可以通过复制现有对象而不必重新创建来优化性能。

2. 动态配置：可以通过克隆已经配置好的对象，在此基础上进行修改，而不用从头开始创建一个新对象。例如，在图形编辑器中，通过原型生成不同图形的变体。

3. 对象数量难以确定：在需要在运行时动态决定对象数量且类别相同的情况下，原型模式可以简化对象的创建。

4. 避免类的过度增加：在某些情况下，可以将一些相似的类统一为一个原型类，通过拷贝的方式生成新实例，避免引入过多的子类。

三、优缺点

优点

• 创建对象的灵活性：可以在运行时选择哪一个原型来创建新对象，降低了代码的耦合度。
• 减少子类的数量：通过拷贝现有对象和修改，避免了引入大量的子类。
• 简化创建过程：可以使复杂对象的创建过程变得简单，尤其是当对象需要复杂初始化时。

缺点

• 深拷贝 vs 浅拷贝：在实现原型模式时，如果对象中的属性需要深拷贝，可能会增加实现的复杂度和开销。
• 维护原型链：确保原型对象的一致性和效果可能成为维护的负担，尤其是在对象属性频繁变化时。
• 不适合大多数简单对象：如果对象简单，构造方法直接明了，使用原型模式可能会产生不必要的复杂性。

四、代码示例

以下是一个使用原型模式的C++实现示例：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

// 原型接口
class Prototype {
public:
    virtual std::unique_ptr<Prototype> clone() const = 0; // 原型克隆方法
    virtual void operation() const = 0; // 示例方法
};

// 具体原型类
class ConcretePrototypeA : public Prototype {
private:
    std::string name;

public:
    ConcretePrototypeA(std::string name) : name(std::move(name)) {}

    std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        return std::make_unique<ConcretePrototypeA(*this); // 调用复制构造函数
    }

    void operation() const override {
        std::cout << "ConcretePrototypeA: " << name << std::endl;
    }
};

// 具体原型类
class ConcretePrototypeB : public Prototype {
private:
    std::string name;

public:
    ConcretePrototypeB(std::string name) : name(std::move(name)) {}

    std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        return std::make_unique<ConcretePrototypeB(*this); // 调用复制构造函数
    }

    void operation() const override {
        std::cout << "ConcretePrototypeB: " << name << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 源对象
    std::unique_ptr<Prototype> prototypeA = std::make_unique<ConcretePrototypeA>("Prototype A");
    std::unique_ptr<Prototype> prototypeB = std::make_unique<ConcretePrototypeB>("Prototype B");
    
    // 克隆对象
    auto clonedA = prototypeA->clone();
    auto clonedB = prototypeB->clone();

    // 调用操作
    prototypeA->operation();  // 输出原对象A的信息
    prototypeB->operation();  // 输出原对象B的信息
    clonedA->operation();      // 输出克隆对象A的信息
    clonedB->operation();      // 输出克隆对象B的信息

    return 0;
}

代码解析

在上述代码中：

• Prototype 是原型接口，定义了 clone() 克隆方法和 operation() 示例操作方法。
• ConcretePrototypeA 和 ConcretePrototypeB 是具体原型类，它们实现了 Prototype 接口，包括克隆自身的方法。
• 每个具体原型类都包含其自身的数据，例如一个字符串作为类的名称，以演示如何管理实例的数据。
• 在 main() 函数中，创建了原型实例，然后克隆了这些实例并调用了操作方法，显示原始及克隆对象的不同。

五、模式总结

原型模式是一种极具价值的创建模式，特别是在对象构造代价高昂或者复杂的场景下，对于对象的内存管理和高效部署起到了重要作用。能够支持灵活的运行时创建对象，与其他设计模式合作可有效提升系统的可扩展性。尽管原型模式有其局限性，但在合适的场景中使用时，可以显著提高代码的灵活性和运行效率。在实际开发中，应根据对象创建的复杂性及变化需求来考虑原型模式的应用