C++实现设计模式---原型模式 (Prototype)

原型模式 (Prototype)

原型模式 是一种创建型设计模式，它通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过实例化。

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意图

• 利用原型实例指定要创建的对象类型，并通过复制该原型来天生新对象。
  
• 提供一种高效创建对象的方式，尤其是当对象的创建成本较高时。
  

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利用场景

• 对象创建成本高：
  
  
  
  • 如果直接实例化对象开销较大（如对象初始化需要大量资源），可以通过克隆已存在的对象快速天生新实例。
    
  
  
• 复杂对象需要重复创建：
  
  
  
  • 当对象的结构较复杂，需要创建多个相似对象时。
    
  
  
• 制止直接依赖具体类：
  
  
  
  • 原型模式通过复制实例而不是直接依赖构造函数，可以减少对具体类的依赖。
    
  
  

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到场者角色

• 原型接口 (Prototype)
  
  
  
  • 界说一个克隆方法，用于复制对象。
    
  
  
• 具体原型 (Concrete Prototype)
  
  
  
  • 实现原型接口，界说克隆方法，返回当前实例的复成品。
    
  
  
• 客户端 (Client)
  
  
  
  • 利用原型接口创建新对象，而不直接依赖具体类。
    
  
  

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示例代码

以下示例展示了如何利用原型模式创建几种不同类型的图形对象。

1. #include <iostream>
2. #include <memory>
3. #include <string>
5. // 原型接口
6. class Shape {
7. public:
8.     virtual ~Shape() {}
9.     virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;
10.     virtual void draw() const = 0;
11. };
13. // 具体原型：圆形
14. class Circle : public Shape {
15. private:
16.     int radius;
18. public:
19.     Circle(int r) : radius(r) {}
21.     // 实现克隆方法
22.     std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
23.         return std::make_unique<Circle>(*this);
24.     }
26.     void draw() const override {
27.         std::cout << "Drawing a Circle with radius: " << radius << std::endl;
28.     }
29. };
31. // 具体原型：矩形
32. class Rectangle : public Shape {
33. private:
34.     int width, height;
36. public:
37.     Rectangle(int w, int h) : width(w), height(h) {}
39.     // 实现克隆方法
40.     std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
41.         return std::make_unique<Rectangle>(*this);
42.     }
44.     void draw() const override {
45.         std::cout << "Drawing a Rectangle with width: " << width
46.                   << " and height: " << height << std::endl;
47.     }
48. };
50. // 客户端代码
51. int main() {
52.     // 创建具体原型
53.     std::unique_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_unique<Circle>(10);
54.     std::unique_ptr<Shape> rectanglePrototype = std::make_unique<Rectangle>(20, 30);
56.     // 克隆原型
57.     auto circle1 = circlePrototype->clone();
58.     auto circle2 = circlePrototype->clone();
60.     auto rectangle1 = rectanglePrototype->clone();
62.     // 使用克隆对象
63.     circle1->draw(); // 输出：Drawing a Circle with radius: 10
64.     circle2->draw(); // 输出：Drawing a Circle with radius: 10
65.     rectangle1->draw(); // 输出：Drawing a Rectangle with width: 20 and height: 30
67.     return 0;
68. }

复制代码

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代码解析

1. 原型接口

• 界说了 clone() 方法，用于创建当前对象的副本：
  

1. virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;

复制代码

2. 具体原型类

• Circle 和 Rectangle 是具体原型类，分别实现了 clone() 方法，返回自身的副本：
  

1. std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
2.     return std::make_unique<Circle>(*this);
3. }

复制代码

3. 客户端

• 客户端通过调用 clone() 方法创建对象，而无需直接依赖具体类：
  

1. auto circle1 = circlePrototype->clone();
2. circle1->draw();

复制代码

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优缺点

长处

• 对象复制高效：
  
  
  
  • 直接复制对象比重新实例化速度更快。
    
  
  
• 减少依赖：
  
  
  
  • 客户端代码无需依赖具体类的构造函数。
    
  
  
• 动态创建对象：
  
  
  
  • 可在运行时动态天生对象，而不是在编译时确定。
    
  
  

缺点

• 深拷贝复杂性：
  
  
  
  • 如果对象中包罗指针或其他复杂资源，需特别留意深拷贝逻辑。
    
  
  
• 实现复杂：
  
  
  
  • 需要为每个类实现 clone() 方法，增长了一定的代码量。
    
  
  

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实用场景

• 需要大量相似对象：如图形编辑器中需要重复创建雷同图形。
  
• 对象初始化成本高：如大型游戏中加载模子、地图等资源。
  
• 需要动态天生对象：如根据设置文件动态天生对象。
  

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改进与扩展

• 深拷贝支持
  
  
  
  • 如果对象包罗动态内存或指针成员变量，需要实现深拷贝以制止资源共享题目。
    
  
  
• 结合原型注册表
  
  
  
  • 利用注册表保存全部原型实例，根据名称或类型动态克隆对象：
    
  1. class PrototypeRegistry {
  2. private:
  3.     std::unordered_map<std::string, std::unique_ptr<Shape>> prototypes;
  5. public:
  6.     void registerPrototype(const std::string& name, std::unique_ptr<Shape> prototype) {
  7.         prototypes[name] = std::move(prototype);
  8.     }
  10.     std::unique_ptr<Shape> create(const std::string& name) const {
  11.         return prototypes.at(name)->clone();
  12.     }
  13. };

  复制代码
  
  

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总结

原型模式通过复制已有对象来快速创建新对象，制止了复杂的初始化逻辑，并减少了对具体类的依赖。
它实用于需要动态天生大量相似对象或高效创建对象的场景。

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