大话设计模式 —— 第九章《原型模式》C++ 代码实现

概述

在某些情况下，可能不希望反复使用类的构造函数创建许多不同的对象，而是希望使用该类创建一个对象后，以该对象为原型得到该对象的若干个副本（分深拷贝和浅拷贝）。也就是说，当一个对象定义为原型对象时，该对象中提供了一个 Clone 方法，然后该原型对象调用此方法可以“克隆”原型对象得到一个新对象。原型对象和“克隆”出的新对象可以分别独立地变化，也就是说，原型对象改变其状态不会影响到以它为原型“克隆”出的新对象，反之也一样。

例如，通过复制一个已有的Word文档中的文本创建一个新的Word文档后，两个文档中的文本内容可独立地变化互不影响。

定义

用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象，而且不需要知道任何创建的细节。

属于创建型模式， 主要用于对象的拷贝

在实际应用中，原型模式很少单独出现。经常与其他模式混用。

上面的定义其中有一个词很重要，那就是拷贝。可以说，拷贝是原型模式的精髓所在。举个现实中的例子来介绍原型模式。找工作的时候，我们需要准备简历。假设没有打印设备，因此需手写简历，这些简历的内容都是一样的。这样有个缺陷，如果要修改简历中的某项，那么所有已写好的简历都要修改，工作量很大。随着科技的进步，出现了打印设备。我们只需手写一份，然后利用打印设备复印多份即可。如果要修改简历中的某项，那么修改原始的版本就可以了，然后再复印。原始的那份手写稿相当于是一个原型，有了它，就可以通过复印（拷贝）创造出更多的新简历。这就是原型模式的基本思想。

Client（客户端角色）：调用 Prototype 来克隆自身，从而创建一个新对象。

Prototype（抽象原型角色）：是抽象类或者接口，用来声明clone方法。该方法是用来克隆自身的接口。

ConcretePrototype（具体的原型类）：是客户端角色使用的对象，即被复制的对象。需要实现克隆自身的具体操作。

需要注意的是，Prototype 在C++ 中是需要自己定义的，但是Java、C#中实现了Cloneable接口，也就不需要自己定义，直接实现该接口即可。

优点

性能优良。原型模式是在内存二进制流的拷贝，要比直接 new 一个对象在性能好很多。特别是复制大对象时，性能的差别非常明显。

没有构造函数的约束。由于拷贝直接在内存中进行，因此并不执行构造函数。

简化对象的创建过程,隐藏了对象创建的细节,又对性能大大的提高

因为以上优点，所以在需要重复地创建相似对象时可以考虑使用原型模式。比如需要在一个循环体内创建对象，假如对象创建过程比较复杂或者循环次数很多的话，使用原型模式不但可以简化创建过程，而且可以使系统的整体性能提高很多。

缺点

直接在内存中拷贝，构造函数是不会执行的，这样就减少了约束，这既是优点也是缺点，需要在实际应用中去考量。

使用场景

如果类的初始化需要耗费较多的资源，那么可以通过原型拷贝避免这些消耗。

如果某个对象new的过程中很耗时，比如说需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式。

一个对象需要提供给多个其它对象使用，而且各个调用者可能都需要修改其值时，则建议使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。

一般在初始化的信息不发生变化的情况下，克隆是最好的办法。这既隐藏了对象创建的细节，有对性能是大大的提高。因为如果不用Clone，每次new，都需要执行一次构造函数，如果构造函数的执行时间很长，那么多次的执行这个初始化操作就实在是太低效了。

注意事项

原型模式时通过拷贝一个现有的对象生成新对象的, 这点和通过一个类进行实例化来构造新对象不同.

使用原型模式拷贝对象不会调用类的构造函数, 这是通过Prototype 的 Clone 方法来完成的. 它直接在内存中复制数据，所以该类的构造方法中的代码不会执行. 不但构造方法中的代码不会执行，甚至连访问权限都对原型模式无效，即该类的构造函数是private也同样可以在实现了原型模式, 这个和单例模式冲突. 单例模式中，只要将构造方法的访问权限设置为private型，就可以实现单例。但是clone方法直接无视构造方法的权限，所以，单例模式与原型模式是冲突的，在使用时要特别注意。

通过使用 clone() 方法产生的新对象，其构造方法不会被执行。因为 clone() 方法原理就是直接在内存中以二进制流的方式进行拷贝，重新分配了一个内存块，并不会调用到构造方法。

浅复制和深复制

浅复制即是拷贝对象中存在除基本数据类型和 String 类型外的其它成员变量时( 比如C++ 中指针和引用），新对象的成员变量的引用还是指向的原对象的成员变量.

所谓深复制，就是复制出来的新对象，其中的引用数据类型的成员变量，其引用也是指向了新的内存区域，即修改其中一个，另一个也不会随之被修改。

下面是用C++代码实现大话设计模式的本章代码：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class Prototype // Prototype（抽象原型角色）：是抽象类或者接口，用来声明clone方法。该方法是用来克隆自身的接口。
{
public:
	virtual ~Prototype() = default;
	virtual Prototype* Clone() = 0;

};
class WorkExperience final :public Prototype
{// ConcretePrototype（具体的原型类）：是客户端角色使用的对象，即被复制的对象。需要实现克隆自身的具体操作。
private:
	std::string m_workDate;
	std::string m_company;
public:
	string getWorkDate(){ return m_workDate; }
	string getCompany() { return m_company; }
	void setWorkDate(string workDate) { m_workDate = workDate; }
	void setCompany(string company) {m_company = company;}

	Prototype* Clone()override
	{
		WorkExperience *p = new WorkExperience;
		*p = *this;
		return p;
	}
};

class Resume final :public Prototype
{//ConcretePrototype（具体的原型类）：是客户端角色使用的对象，即被复制的对象。需要实现克隆自身的具体操作。
private:
	std::string m_name;
	std::string m_sex;
	std::string m_age;

	WorkExperience *m_work = new WorkExperience;
	explicit Resume(WorkExperience *work) :m_work((WorkExperience*)work->Clone()) {}
public:
	Resume() = default;
	void SetPersonalInfo(string name, string sex, string age)
	{
		m_name = name;
		m_sex = sex;
		m_age = age;
	}
	void SetWorkExperience(std::string workDate, std::string company)
	{
		m_work->setWorkDate(workDate);
		m_work->setCompany(company);
	}
	void Display()
	{
		cout << "姓名：" << m_name << " "
			<< " 性别：" << m_sex << " "
			<< " 年龄：" << m_age << endl;

		cout << "工作经历为：" << m_work->getWorkDate() << " " << m_work->getCompany() << endl << endl;
		
	}
	Prototype *Clone()override
	{
		Resume *cloneResume = new Resume(m_work);
		cloneResume->m_name = this->m_name;
		cloneResume->m_sex = this->m_sex;
		cloneResume->m_age = this->m_age;
		return cloneResume;
	}
};
int main()
{
	Resume *a = new Resume;
	a->SetPersonalInfo("大鸟", "男", "29");
	a->SetWorkExperience("1998-2000", "XX公司");
	a->Display();


	Resume *b = (Resume*)a->Clone();
	b->SetPersonalInfo("黄成涛", "男", "22");
	b->SetWorkExperience("1997-2006", "YY公司");
	b->Display();

	Resume *c = (Resume*)a->Clone();
	c->SetPersonalInfo("小菜", "男", "20");
	c->SetWorkExperience("2000-2006", "ZZ公司");
	c->Display();

	delete a;
	delete b;
	delete c;
	a = b = c = nullptr;
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果为：

原型模式涉及到浅拷贝和深拷贝的问题，但是浅拷贝对原型模式来说意义不大，因为浅拷贝复制的对象都一样。所以说上述代码用的是深拷贝。

其实原型模式算是一种十分简单的设计模式，因此用途也十分广泛。一般是与其他设计模式结合起来使用，例如，与工厂模式结合使用，内部使用 clone() 方法，然后由工厂方法提供给调用者使用。此外，原型模式在创建大量对象时，特别适用。