C++设计模式：原型模式（Prototype）

通俗易懂地解读原型模式（Prototype Pattern）

什么是原型模式？

原型模式是一种创建型设计模式，它让我们可以通过复制（克隆）一个现有的对象，快速生成一个新的对象，而不需要再次通过类的实例化来创建。

用大白话来说：

如果你已经有一个模子（原型），你就可以用这个模子快速复制出新对象，就像用模型复制黏土雕塑一样。这样，你不需要每次都从零开始重新雕一个。

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为什么需要原型模式？

1. 节省时间和资源 ：
   • 如果对象的创建很复杂（比如需要加载文件、调用外部服务等），直接复制一个现成的对象会快很多。
2. 动态创建对象 ：
   • 有时候，我们在运行时并不知道需要创建什么类型的对象，使用原型模式可以很灵活地克隆已有的对象。
3. 避免类的依赖 ：
   • 不需要在代码中直接实例化某个类，只需复制一个已有的实例即可。

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举个例子

假如你在一个图形设计软件中设计了一些图形（比如圆形和矩形）。这些图形可能需要很多属性：大小、颜色、边框等。现在你需要快速生成这些图形的副本，而不是每次都手动创建。

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原型模式的实现

下面我们通过一个简单的例子，演示如何用 C++ 实现原型模式：

模拟一个图形系统，通过原型模式实现图形（圆形、矩形）的快速复制。

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完整代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // 智能指针管理

// 抽象原型类
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default;

    // 克隆方法，返回一个复制的对象
    virtual std::shared_ptr<Shape> clone() const = 0;

    // 显示图形信息
    virtual void draw() const = 0;
};

// 圆形类
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double radius) : radius_(radius) {}

    // 实现克隆方法
    std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_shared<Circle>(*this); // 使用复制构造函数
    }

    // 显示圆形信息
    void draw() const override {
        std::cout << "绘制一个圆，半径为：" << radius_ << "\n";
    }

private:
    double radius_; // 半径
};

// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}

    // 实现克隆方法
    std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_shared<Rectangle>(*this); // 使用复制构造函数
    }

    // 显示矩形信息
    void draw() const override {
        std::cout << "绘制一个矩形，宽为：" << width_ << "，高为：" << height_ << "\n";
    }

private:
    double width_;  // 矩形的宽
    double height_; // 矩形的高
};

// 客户端代码
int main() {
    // 创建一个圆形原型
    std::shared_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_shared<Circle>(10.0);

    // 创建一个矩形原型
    std::shared_ptr<Shape> rectanglePrototype = std::make_shared<Rectangle>(20.0, 15.0);

    // 克隆圆形
    std::shared_ptr<Shape> clonedCircle = circlePrototype->clone();

    // 克隆矩形
    std::shared_ptr<Shape> clonedRectangle = rectanglePrototype->clone();

    // 显示克隆的图形
    clonedCircle->draw();    // 输出：绘制一个圆，半径为：10
    clonedRectangle->draw(); // 输出：绘制一个矩形，宽为：20，高为：15

    return 0;
}

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运行结果

运行以上代码后，将输出以下结果：

绘制一个圆，半径为：10
绘制一个矩形，宽为：20，高为：15

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代码逐步解析

1. Shape 类：

   • 它是一个抽象原型类，定义了一个clone()方法，让所有子类实现复制的逻辑。
   • 同时，draw()方法用来显示图形信息。

2. Circle 和 Rectangle 类：

   • 它们是具体的原型类，继承自Shape。
   • 通过实现clone()方法，使用复制构造函数完成克隆操作。
   • draw()方法显示图形的具体属性。

3. main 函数（客户端）：

   • 客户端创建了一些原型对象（圆形和矩形）。
   • 使用这些原型的clone()方法，快速生成新的对象，并通过draw()方法显示它们。

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通俗解释代码

• clone() 就像一个"复印机"，你放进去一个原型对象（比如一个圆形），它会帮你复印出一个一模一样的新对象。
• 不同的图形类（如圆形、矩形）都有自己的复制逻辑，但客户端只需要调用clone()就可以完成复制，而不需要关心复制细节。
• 最终，你可以轻松地复制出大量类似的对象，而无需每次手动创建。

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原型模式的优缺点

优点

1. 提高效率：
   • 复制一个现成的对象比重新初始化一个对象快得多，特别是对象初始化代价很高时（比如加载资源或复杂计算）。
2. 运行时动态创建：
   • 不需要在编译时确定对象类型，运行时可以基于原型创建实例，灵活性更高。
3. 减少耦合：
   • 客户端只需要调用clone()方法，而无需关心具体对象的创建细节。

缺点

1. 复杂的深拷贝：
   • 如果对象有嵌套结构（比如对象内部还有对象），需要实现复杂的深拷贝逻辑。
2. 内存管理复杂：
   • 如果对象包含动态分配的资源，克隆时需要特别注意释放这些资源，否则可能导致内存泄漏。

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适用场景

1. 对象创建成本高：
   • 比如包含大量数据或需要复杂初始化的对象，可以通过克隆快速复制。
2. 需要创建相似对象：
   • 比如游戏中的各种怪物、道具等，它们的基础属性相同，但某些细节可以在克隆后修改。
3. 动态决定对象类型：
   • 如果程序在运行时需要根据情况创建对象，可以通过原型模式更灵活地实现。

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总结

原型模式是一种非常实用的设计模式，特别是在需要创建大量相似对象或对象创建成本较高的情况下。通过clone()方法，我们可以轻松地复制一个对象，避免了重新初始化的麻烦。在实际开发中，原型模式广泛用于游戏开发、图形处理、文档复制等场景。希望通过这个简单的图形示例，你已经能够理解并掌握这一设计模式！

完整代码块

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#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // 用于智能指针管理

// 抽象原型类
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default;

    // 克隆方法，返回一个复制的对象
    virtual std::shared_ptr<Shape> clone() const = 0;

    // 显示图形信息
    virtual void draw() const = 0;

    // 设置名称，用于标识不同对象
    void setName(const std::string& name) {
        name_ = name;
    }

    // 获取对象名称
    std::string getName() const {
        return name_;
    }

private:
    std::string name_;
};

// 圆形类
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double radius) : radius_(radius) {}

    // 实现克隆方法
    std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_shared<Circle>(*this); // 使用复制构造函数
    }

    // 显示圆形信息
    void draw() const override {
        std::cout << "圆形对象 [" << getName() << "]，半径为：" << radius_ << "\n";
    }

private:
    double radius_; // 半径
};

// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}

    // 实现克隆方法
    std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_shared<Rectangle>(*this); // 使用复制构造函数
    }

    // 显示矩形信息
    void draw() const override {
        std::cout << "矩形对象 [" << getName() << "]，宽为：" << width_ << "，高为：" << height_ << "\n";
    }

private:
    double width_;  // 矩形的宽
    double height_; // 矩形的高
};

// 客户端代码
int main() {
    // 创建原始圆形对象
    std::shared_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_shared<Circle>(10.0);
    circlePrototype->setName("原始圆形");

    // 创建原始矩形对象
    std::shared_ptr<Shape> rectanglePrototype = std::make_shared<Rectangle>(20.0, 15.0);
    rectanglePrototype->setName("原始矩形");

    // 克隆圆形
    std::shared_ptr<Shape> clonedCircle = circlePrototype->clone();
    clonedCircle->setName("拷贝圆形");

    // 克隆矩形
    std::shared_ptr<Shape> clonedRectangle = rectanglePrototype->clone();
    clonedRectangle->setName("拷贝矩形");

    // 显示原始和克隆的图形
    std::cout << "=== 原始对象 ===\n";
    circlePrototype->draw();
    rectanglePrototype->draw();

    std::cout << "\n=== 拷贝对象 ===\n";
    clonedCircle->draw();
    clonedRectangle->draw();

    return 0;
}

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运行结果

运行以上代码后，输出如下：

=== 原始对象 ===
圆形对象 [原始圆形]，半径为：10
矩形对象 [原始矩形]，宽为：20，高为：15

=== 拷贝对象 ===
圆形对象 [拷贝圆形]，半径为：10
矩形对象 [拷贝矩形]，宽为：20，高为：15

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