23种设计模式-原型(Prototype)设计模式

文章目录

一.什么是原型设计模式？
二.原型模式的特点
三.原型模式的结构
四.原型模式的优缺点
[五.原型模式的 C++ 实现](#五.原型模式的 C++ 实现)
[六.原型模式的 Java 实现](#六.原型模式的 Java 实现)
[七. 代码解析](#七. 代码解析)
八.总结

类图：原型设计模式类图

一.什么是原型设计模式？

原型模式 （Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它通过复制现有对象来生成新对象，而不是通过实例化类来创建。这种模式基于对象的克隆机制，适用于需要频繁创建对象的场景，可以提高性能并减少复杂的初始化过程。

二.原型模式的特点

克隆对象：通过复制已有对象生成新对象，而非通过构造函数创建。
性能优化：避免复杂对象创建的高开销。
灵活性：可以动态添加或删除原型，而不影响其他对象。

三.原型模式的结构

Prototype（抽象原型类）：定义了克隆方法，通常是 clone() 方法。
ConcretePrototype（具体原型类）：实现抽象原型类的克隆方法。
Client（客户端）：调用克隆方法创建新对象，而无需关心对象的具体类型。

四.原型模式的优缺点

优点:
- 性能优势：克隆比重新创建对象效率更高。
- 动态性：无需编译时依赖类，可以在运行时动态生成对象。
- 避免依赖性：通过克隆机制，可以避免直接依赖类的构造函数。
缺点:
- 复杂性增加：需要正确实现克隆方法，尤其是深拷贝场景。
- 资源消耗：可能会为每个可克隆的对象维护克隆逻辑，导致类职责增多。

五.原型模式的 C++ 实现

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // for smart pointers
using namespace std;

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

    // 克隆方法（纯虚函数）
    virtual unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;

    virtual void display() const = 0;
};

// 具体原型类1
class ConcretePrototypeA : public Prototype {
private:
    string data; // 模拟一些状态
public:
    ConcretePrototypeA(string data) : data(data) {}

    // 克隆方法
    unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        return make_unique<ConcretePrototypeA>(*this); // 调用拷贝构造函数
    }

    void display() const override {
        cout << "ConcretePrototypeA with data: " << data << endl;
    }
};

// 具体原型类2
class ConcretePrototypeB : public Prototype {
private:
    int value; // 模拟一些状态
public:
    ConcretePrototypeB(int value) : value(value) {}

    // 克隆方法
    unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        return make_unique<ConcretePrototypeB>(*this); // 调用拷贝构造函数
    }

    void display() const override {
        cout << "ConcretePrototypeB with value: " << value << endl;
    }
};

// 客户端代码
void ClientCode(const Prototype& prototype) {
    auto clonedObject = prototype.clone(); // 克隆一个对象
    clonedObject->display();               // 显示克隆对象的内容
}

int main() {
    // 创建原型对象
    ConcretePrototypeA prototypeA("PrototypeA Data");
    ConcretePrototypeB prototypeB(42);

    cout << "Cloning ConcretePrototypeA:" << endl;
    ClientCode(prototypeA);

    cout << "\nCloning ConcretePrototypeB:" << endl;
    ClientCode(prototypeB);

    return 0;
}

六.原型模式的 Java 实现

java 复制代码

// 抽象原型类
abstract class Prototype implements Cloneable {
    public abstract Prototype clone();

    public abstract void display();
}

// 具体原型类A
class ConcretePrototypeA extends Prototype {
    private String data;

    public ConcretePrototypeA(String data) {
        this.data = data;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            return (Prototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException("Clone not supported!");
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("ConcretePrototypeA with data: " + data);
    }
}

// 具体原型类B
class ConcretePrototypeB extends Prototype {
    private int value;

    public ConcretePrototypeB(int value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            return (Prototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException("Clone not supported!");
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("ConcretePrototypeB with value: " + value);
    }
}

// 客户端代码
public class PrototypePatternExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型对象
        ConcretePrototypeA prototypeA = new ConcretePrototypeA("PrototypeA Data");
        ConcretePrototypeB prototypeB = new ConcretePrototypeB(42);

        System.out.println("Cloning ConcretePrototypeA:");
        Prototype clonedA = prototypeA.clone();
        clonedA.display();

        System.out.println("\nCloning ConcretePrototypeB:");
        Prototype clonedB = prototypeB.clone();
        clonedB.display();
    }
}

七. 代码解析

抽象原型类（Prototype） ：
- 定义了一个 clone() 方法，用于生成当前对象的副本。
- 使用虚函数，使得派生类可以实现自己的克隆逻辑。
具体原型类（ConcretePrototypeA 和 ConcretePrototypeB） ：
- 实现了 clone() 方法，通过调用自身的拷贝构造函数完成对象的克隆。
- ConcretePrototypeA 和 ConcretePrototypeB 模拟了不同的数据成员，演示了克隆不同类型对象的效果。
客户端代码 ：
- 接收一个 Prototype 对象的引用，并通过调用 clone() 方法克隆出一个新对象。
- 客户端无需关心具体的类，只需通过 Prototype 接口调用克隆方法即可。

八.总结

原型模式通过克隆的方式创建新对象，而不依赖于类的构造函数。这种模式在需要频繁创建对象、或者需要动态生成对象的场景中非常有用。通过正确实现 clone() 方法，可以有效提高程序的灵活性和性能。然而，在实现复杂对象的深拷贝时，需要特别注意对象之间的依赖关系和资源管理，以避免潜在的错误。
应用场景:

复杂对象的创建：初始化需要耗费大量资源的对象可以通过克隆来生成新对象。
性能优化：避免使用构造函数或工厂方法重复创建对象。
动态对象管理：需要动态生成对象而不依赖具体类。