23种设计模式 - 原型模式

模式定义

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它通过克隆现有对象来创建新对象，避免重复执行初始化逻辑 $1$ $2$ $4$ 。该模式的核心是将对象创建过程委托给对象自身，通过统一的克隆接口实现灵活复制 $3$ $6$ $8$ 。

模式结构

抽象原型类（Prototype）

定义克隆接口 clone()，强制所有具体原型实现复制逻辑。
具体原型类（ConcretePrototype）
实现 clone() 方法，通过拷贝构造函数或深拷贝生成新对象。
客户端（Client）
通过调用原型对象的 clone() 方法创建新对象，无需依赖具体类。

适用场景

复杂对象初始化成本高：如数控系统中加工任务的参数配置。

动态生成相似对象：批量创建仅部分参数不同的加工指令。

避免工厂类层次结构：直接通过原型克隆替代子类化。

C++示例（数控系统场景）

场景说明：

数控系统需要快速复制已有的加工任务模板（如刀具路径、速度参数），生成新任务并调整部分参数。

cpp 复制代码

#include 
#include 
#include 

// 抽象原型类：加工任务
class MachiningTask {
public:
    virtual ~MachiningTask() = default;
    virtual std::unique_ptr clone() const = 0;
    virtual void execute() const = 0;
    virtual void setToolPath(const std::string& path) = 0;
};

// 具体原型类：钻孔任务
class DrillingTask : public MachiningTask {
private:
    std::string toolPath_;
    int speed_;

public:
    DrillingTask(const std::string& path, int speed) 
        : toolPath_(path), speed_(speed) {}

    // 拷贝构造函数（深拷贝）
    DrillingTask(const DrillingTask& other) 
        : toolPath_(other.toolPath_), speed_(other.speed_) {}

    std::unique_ptr clone() const override {
        return std::make_unique(*this);  // 调用拷贝构造[3][7]
    }

    void execute() const override {
        std::cout << "执行钻孔任务：路径=" << toolPath_ 
                  << ", 转速=" << speed_ << "rpm" << std::endl;
    }

    void setToolPath(const std::string& path) override {
        toolPath_ = path;
    }
};

int main() {
    // 创建原型对象（模板任务）
    auto originalTask = DrillingTask("A1→B2→C3", 1500);
    
    // 克隆任务并修改参数
    auto newTask = originalTask.clone();
    newTask->setToolPath("X10→Y20→Z5");
    newTask->execute();  // 输出：执行钻孔任务：路径=X10→Y20→Z5, 转速=1500rpm

    return 0;
}

关键点分析

深拷贝实现

通过拷贝构造函数复制所有成员变量，确保克隆对象与原对象独立。
智能指针管理
使用 std::unique_ptr 自动释放克隆对象，避免内存泄漏。
灵活扩展
新增任务类型（如铣削任务）只需继承 MachiningTask 并实现 clone()，符合开闭原则。

优缺点对比

优点	缺点
减少重复初始化开销	深拷贝实现复杂（含指针/资源时）
动态生成复杂对象	每个类需实现克隆方法，增加代码量