创建型模式-Prototype 模式（原型模式）

原型模式

‌原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，通过复制现有对象来创建新对象，避免了重复创建对象的开销‌。原型模式的核心在于通过复制现有的实例对象来生成新的实例对象，从而提升效率。‌

场景假设：需要创建复杂配置的仪器连接对象（含IP、端口、校验配置等）

1. 不使用原型模式（直接构造新对象）

cpp 复制代码

class DeviceConnection {
private:
    string ip;
    int port;
    vector<uint8_t> configData; // 大型配置数据
public:
    // 复杂构造函数（模拟耗时操作）
    DeviceConnection(string ip, int port) : ip(ip), port(port) {
        // 模拟耗时配置加载（从文件/数据库读取）
        this->configData.resize(1024*1024); // 1MB数据
        std::iota(configData.begin(), configData.end(), 0);
    }

    void setValidation(bool enable) { /*...*/ }
    void print() { cout << ip << ":" << port << endl; }
};

// 客户端代码
DeviceConnection conn1("192.168.1.10", 5025); // 耗时构造
DeviceConnection conn2 = conn1; // 仅浅拷贝（危险！）
conn2.setValidation(true);      // 修改会影响conn1吗？

缺点分析：

重复初始化成本：每个新对象都要执行完整的构造函数逻辑
浅拷贝风险：默认拷贝构造函数导致configData内存共享
配置同步问题：修改一个对象的配置不会影响另一个（但共享数据会出问题）

2. 使用原型模式（显式克隆）// 基类实现克隆接口

cpp 复制代码

class ICloneable {
public:
    virtual unique_ptr<ICloneable> clone() const = 0;
    virtual ~ICloneable() = default;
};

class DeviceConnection : public ICloneable {
private:
    string ip;
    int port;
    vector<uint8_t> configData;
public:
    // 原型对象构造（仅首次需要耗时）
    DeviceConnection(string ip, int port) : ip(ip), port(port) {
        this->configData.resize(1024*1024);
        std::iota(configData.begin(), configData.end(), 0);
    }

    // 实现深拷贝克隆
    unique_ptr<ICloneable> clone() const override {
        auto newObj = make_unique<DeviceConnection>(*this);
        newObj->configData = this->configData; // 显式深拷贝
        return newObj;
    }

    void setIP(string newIP) { ip = newIP; }
    void print() { cout << ip << ":" << port << endl; }
};

// 客户端代码
auto prototype = make_unique<DeviceConnection>("192.168.1.10", 5025);

// 快速克隆已有配置
auto conn1 = prototype->clone();
dynamic_cast<DeviceConnection*>(conn1.get())->setIP("192.168.1.11");

auto conn2 = prototype->clone();
dynamic_cast<DeviceConnection*>(conn2.get())->setIP("192.168.1.12");

缺点分析：

类型转换开销：需要dynamic_cast处理具体类型
内存消耗：克隆大型对象时需要复制全部数据
接口约束：必须继承ICloneable接口

关键对比表格：

特性	原型模式	不用原型模式
对象创建速度	✅ 快速克隆（避开构造函数）	❌ 每次完整构造
内存效率	❌ 可能重复存储相同数据	✅ 仅保留必要数据
对象状态一致性	✅ 确保初始状态一致	❌ 依赖构造函数正确性
代码复杂度	❌ 需实现克隆接口	✅ 直接使用默认构造
多态支持	✅ 支持异构对象克隆	❌ 只能创建同类对象
配置修改安全性	✅ 独立内存空间	❌ 默认浅拷贝风险

工程建议：

cpp 复制代码

// 最佳实践：结合工厂模式管理原型
class DeviceFactory {
private:
    static unordered_map<DeviceType, unique_ptr<DeviceConnection>> prototypes;
public:
    static void init() {
        prototypes[DeviceType::SCOPE] = 
            make_unique<DeviceConnection>("192.168.1.100", 5025);
        // 其他设备类型初始化...
    }

    static unique_ptr<DeviceConnection> create(DeviceType type) {
        return prototypes[type]->clone();
    }
};

适用场景建议：

•优先使用原型模式：当对象初始化成本 > 克隆成本时

•避免使用原型模式：当对象简单或需要完全独立初始化时