设计模式 5 原型模式

设计模式 5

• 创建型模式（5）：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式
• 结构型模式（7）：适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰者模式、外观模式、享元模式、代理模式
• 行为型模式（11）：责任链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式、访问者模式

原型模式（Prototype Pattern）

1 定义

原型模式允许一个对象通过复制自身来创建新的对象。这种模式提供了一种创建对象的快捷方式，尤其适用于创建代价较高的对象。

2 结构

原型模式的结构包含以下角色：

• 原型（Prototype）: 定义一个可以克隆自身的接口。
• 具体原型（ConcretePrototype）: 实现 Prototype 接口并能够克隆自身。
• 客户端（Client）: 通过请求 Prototype 对象复制自身来创建新对象。

UML 类图

+----------------------+                +-------------------------+
|      Prototype       |<---------------|      ConcretePrototype  |
+----------------------+                +-------------------------+
| + Clone(): Prototype |                | + Clone(): Prototype    |
+----------------------+                +-------------------------+
         /|\                                           |
          |                                            |
          |                                            |
+---------------------+                        +---------------------------------+
|      Client         |                        |      AnotherConcretePrototype   |
+---------------------+                        +---------------------------------+
| + Operation()       |                        | + Clone(): Prototype            |
+---------------------+                        +---------------------------------+

3 示例代码

原型模式的核心在于实现对象的深拷贝或浅拷贝。以下是一个实现原型模式的简单示例，其中我们克隆一个对象来创建新的对象。

原型接口

// 原型接口
public abstract class Prototype
{
    public abstract Prototype Clone();
}

具体原型类

// 具体原型类
public class ConcretePrototype : Prototype
{
    public string Name { get; set; }

    public ConcretePrototype(string name)
    {
        Name = name;
    }

    // 实现克隆方法
    public override Prototype Clone()
    {
        return (Prototype)this.MemberwiseClone(); // 浅拷贝
    }
}

客户端代码

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 创建一个原型对象
        ConcretePrototype prototype1 = new ConcretePrototype("Prototype 1");

        // 克隆原型对象
        ConcretePrototype clonedPrototype = (ConcretePrototype)prototype1.Clone();

        // 显示克隆对象的属性
        Console.WriteLine("Original Prototype Name: " + prototype1.Name);
        Console.WriteLine("Cloned Prototype Name: " + clonedPrototype.Name);

        // 修改克隆对象的属性
        clonedPrototype.Name = "Cloned Prototype 1";

        Console.WriteLine("\nAfter modification:");
        Console.WriteLine("Original Prototype Name: " + prototype1.Name);
        Console.WriteLine("Cloned Prototype Name: " + clonedPrototype.Name);
    }
}

在这个例子中，ConcretePrototype 是具体的原型类，实现了 Clone 方法。Clone 方法使用 MemberwiseClone 来执行浅拷贝，这意味着对象的成员变量会被复制，但对象的引用类型成员变量依然指向同一个内存地址。

浅拷贝与深拷贝：

• 浅拷贝（Shallow Copy）: 复制对象时，只复制对象的基本数据类型成员变量，对于引用类型成员变量，只复制引用，不复制引用指向的对象。
• 深拷贝（Deep Copy）: 复制对象时，不仅复制对象的基本数据类型成员变量，也复制引用类型成员变量所引用的对象，生成全新的副本。

深拷贝的实现

要实现深拷贝，可以在 Clone 方法中手动复制引用类型的成员变量，或者通过序列化和反序列化来实现。

// 实现深拷贝的具体原型类
[Serializable]
public class DeepConcretePrototype : Prototype
{
    public string Name { get; set; }
    public List<string> Features { get; set; }

    public DeepConcretePrototype(string name, List<string> features)
    {
        Name = name;
        Features = features;
    }

    public override Prototype Clone()
    {
        // 深拷贝：通过序列化和反序列化
        using (MemoryStream stream = new MemoryStream())
        {
            IFormatter formatter = new BinaryFormatter();
            formatter.Serialize(stream, this);
            stream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
            return (Prototype)formatter.Deserialize(stream);
        }
    }
}

4 特点

• 优点:

  • 减少对象创建的成本: 尤其是当对象的创建代价很高时，通过克隆一个现有的对象可以减少资源消耗。

  • 避免复杂对象的重复创建: 当创建复杂对象需要设置大量参数或步骤时，原型模式可以避免重复工作。

  • 易于扩展: 可以通过继承现有原型类来扩展新的克隆行为，而无需修改现有代码。

• 缺点:

  • 深拷贝实现复杂: 如果对象包含复杂的引用关系，深拷贝的实现可能会很复杂。

  • 容易引起混淆: 如果在系统中有多个原型对象，可能会导致代码的可读性降低，增加理解难度。

5 适用场景

• 对象创建代价高: 当一个对象的创建成本高昂（如初始化配置、数据库连接等）时，使用原型模式可以减少创建成本。
• 对象结构复杂: 对于具有复杂结构的对象，使用原型模式可以避免重复的创建工作。
• 需要多个类似实例: 当需要生成一系列相似对象时，使用原型模式可以通过克隆现有对象来快速创建新对象。

6 与其他模式对比

• 与工厂模式的区别: 工厂模式是通过实例化来创建对象，而原型模式是通过克隆已有对象来创建新对象。
• 与建造者模式的区别: 建造者模式关注的是一步步构建复杂对象，而原型模式是通过复制现有对象来创建新对象。

原型模式非常适合在对象创建复杂或成本较高的场景下使用，它通过克隆来简化对象的创建过程并提高性能。