C++ 设计模式:原型模式(Prototype Pattern)

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原型模式(Prototype Pattern)是一种创建型设计模式,它允许一个对象通过复制现有对象来创建新对象,而不是通过实例化类来创建对象。原型模式通过克隆现有对象来避免复杂的初始化过程,从而提高对象创建的效率。

1.问题分析

在开发中,有时我们需要创建大量相似的对象,这些对象的创建过程可能非常复杂,涉及大量的初始化步骤和资源分配。每次通过构造函数创建新对象可能会导致性能问题和代码冗余。为了提高效率和简化代码,我们可以使用原型模式。

2.实现步骤

  1. 定义原型接口:定义一个包含克隆方法的接口,所有需要克隆的对象都应该实现这个接口。
  2. 实现具体原型类:实现具体的原型类,这些类需要实现克隆方法,以便能够复制自身。
  3. 使用原型创建对象:通过调用原型对象的克隆方法来创建新对象,而不是通过构造函数创建新对象。

3.代码示例

3.1.定义原型接口

cpp 复制代码
// 机器人接口
class Robot {
 public:
  virtual ~Robot() = default;
  virtual std::unique_ptr<Robot> clone() const = 0;
  virtual void performTask() const = 0;
};

3.2.实现具体原型类

cpp 复制代码
// 具体机器人A
class CleaningRobot : public Robot {
 public:
  std::unique_ptr<Robot> clone() const override { return std::make_unique<CleaningRobot>(*this); }

  void performTask() const override { std::cout << "CleaningRobot is cleaning the floor." << std::endl; }
};
cpp 复制代码
// 具体机器人B
class CookingRobot : public Robot {
 public:
  std::unique_ptr<Robot> clone() const override { return std::make_unique<CookingRobot>(*this); }

  void performTask() const override { std::cout << "CookingRobot is cooking a meal." << std::endl; }
};

3.3.使用原型创建对象

cpp 复制代码
// 客户端类
class RobotManager {
 public:
  RobotManager(const Robot* prototype) : prototype_(prototype) {}

  void manageRobot() const {
    if (prototype_) {
      std::unique_ptr<Robot> robot = prototype_->clone();
      robot->performTask();
    } else {
      std::cerr << "Error: No prototype provided." << std::endl;
    }
  }

 private:
  const Robot* prototype_;
};

3.4. 客户端代码

cpp 复制代码
int main() {
  // 创建具体的机器人对象
  std::unique_ptr<Robot> cleaningPrototype = std::make_unique<CleaningRobot>();
  std::unique_ptr<Robot> cookingPrototype = std::make_unique<CookingRobot>();

  // 创建RobotManager并传递原型对象的指针
  RobotManager cleaningManager(cleaningPrototype.get());
  cleaningManager.manageRobot();

  RobotManager cookingManager(cookingPrototype.get());
  cookingManager.manageRobot();

  return 0;
}

4.总结

原型模式与工厂方法模式的对比:

  • 原型模式

    1. 对象创建方式:通过克隆现有的原型对象来创建新对象。
    2. 适用场景
      • 对象的构造初始化过程复杂。
      • 需要大量相似对象。
      • 性能要求高,通过克隆现有对象比通过构造函数创建对象更高效。
    3. 优点
      • 避免了复杂的初始化过程。
      • 可以在运行时动态改变被复制的对象。
      • 提供了简化的对象创建方式。
    4. 缺点
      • 需要实现克隆方法,可能涉及深拷贝和浅拷贝的问题。
      • 对象的克隆过程可能比较复杂。
  • 工厂方法模式

    1. 对象创建方式:通过工厂方法创建新对象,通常是通过构造函数进行初始化。
    2. 适用场景
      • 需要创建不同类型的对象。
      • 对象创建过程相对简单。
    3. 优点
      • 提供了创建对象的接口,子类可以决定实例化哪一个类。
      • 遵循开闭原则,可以通过添加新的子类来扩展产品。
    4. 缺点
      • 每次调用工厂方法时,都会创建一个新的对象,可能涉及复杂的初始化过程。
      • 需要为每种产品创建相应的工厂类,增加了代码的复杂性。
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