设计模式：原型模式（Prototype Pattern）

TechNomad2025-08-29 14:20

文章目录

一、原型模式的概念

原型模式是一种创建型设计模式， 使你能够复制已有对象， 而又无需使代码依赖它们所属的类。通过复制（克隆）已有的实例来创建新的对象，而不是通过 new 来实例化。

  • 意图：在对象创建代价较大、或需要保留对象当前状态时，通过克隆来生成新对象。
  • 核心思想：每个类实现一个 clone() 接口，用于复制自身。


优点：

  • 隐藏对象创建细节，对客户端透明。
  • 提高性能（适合复杂对象复制）。
  • 动态扩展对象种类，不需要修改工厂类。

缺点：

  • 对象内部含有复杂引用时，深拷贝实现复杂。
  • 如果对象的构造过程并不复杂，使用原型模式反而增加代码复杂度。

二、原型模式的结构

角色组成：

  • Prototype（抽象原型类）：定义了 clone() 方法的接口。
  • ConcretePrototype（具体原型类）：实现 clone()，复制自身。
  • Client（客户类）：通过调用 clone() 来创建新对象，而不是直接 new。

基本实现：

UML类图：

示例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 抽象原型类
class Prototype {
public:
    virtual ~Prototype() {}
    virtual Prototype* clone() const = 0;
    virtual void show() const = 0;
};

// 具体原型类 A
class ConcretePrototypeA : public Prototype {
public:
    ConcretePrototypeA(const string& name) : name(name) {}
    Prototype* clone() const override {
        return new ConcretePrototypeA(*this); // 调用拷贝构造
    }
    void show() const override {
        cout << "ConcretePrototypeA: " << name << endl;
    }
private:
    string name;
};

// 具体原型类 B
class ConcretePrototypeB : public Prototype {
public:
    ConcretePrototypeB(int value) : value(value) {}
    Prototype* clone() const override {
        return new ConcretePrototypeB(*this); // 调用拷贝构造
    }
    void show() const override {
        cout << "ConcretePrototypeB: value=" << value << endl;
    }
private:
    int value;
};

// 使用示例
int main() {
    Prototype* p1 = new ConcretePrototypeA("原型A");
    Prototype* p2 = new ConcretePrototypeB(42);

    Prototype* c1 = p1->clone(); // 克隆A
    Prototype* c2 = p2->clone(); // 克隆B

    c1->show();
    c2->show();

    delete p1;
    delete p2;
    delete c1;
    delete c2;
    return 0;
}

原型模式（Prototype Pattern）示例，用来克隆 QWidget 界面

场景：

  • 有一个复杂的界面 CustomWidget（包含标签和按钮）。
  • 界面创建比较复杂，不想每次都 new。
  • 通过原型模式，我们直接 clone() 来复制已有的界面。

代码示例：

cpp 复制代码 
#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QVBoxLayout>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QString>

// ============ 抽象原型类 ============
class PrototypeWidget : public QWidget {
public:
    PrototypeWidget(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent) {}
    virtual ~PrototypeWidget() {}
    virtual PrototypeWidget* clone() const = 0;  // 原型接口
};

// ============ 具体原型类 ============
class CustomWidget : public PrototypeWidget {
public:
    CustomWidget(const QString &title, const QString &buttonText, QWidget *parent = nullptr)
        : PrototypeWidget(parent), m_title(title), m_buttonText(buttonText) 
    {
        QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(this);
        m_label = new QLabel(m_title, this);
        m_button = new QPushButton(m_buttonText, this);
        layout->addWidget(m_label);
        layout->addWidget(m_button);
        setLayout(layout);
        resize(220, 120);
    }

    // 克隆自身
    PrototypeWidget* clone() const override {
        return new CustomWidget(m_title, m_buttonText);
    }

    // ====== 扩展功能：支持修改部分内容 ======
    void setTitle(const QString &title) {
        m_title = title;
        if (m_label) m_label->setText(m_title);
    }

    void setButtonText(const QString &text) {
        m_buttonText = text;
        if (m_button) m_button->setText(m_buttonText);
    }

private:
    QString m_title;
    QString m_buttonText;
    QLabel *m_label{nullptr};
    QPushButton *m_button{nullptr};
};

// ============ 使用示例 ============
int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);

    // 原型窗口
    CustomWidget *prototype = new CustomWidget("原型窗口", "点击我");
    prototype->setWindowTitle("原型窗口");
    prototype->move(100, 100);
    prototype->show();

    // 克隆窗口 1（修改标题和按钮文字）
    CustomWidget *w1 = static_cast<CustomWidget*>(prototype->clone());
    w1->setWindowTitle("克隆窗口 1");
    w1->setTitle("我是克隆1");
    w1->setButtonText("确认");
    w1->move(350, 100);
    w1->show();

    // 克隆窗口 2（只修改按钮文字）
    CustomWidget *w2 = static_cast<CustomWidget*>(prototype->clone());
    w2->setWindowTitle("克隆窗口 2");
    w2->setButtonText("取消");
    w2->move(600, 100);
    w2->show();

    return app.exec();
}

三、原型注册机制

基本实现：

UML类图：

示例：支持原型注册

cpp 复制代码 
#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QVBoxLayout>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QString>
#include <QMap>

// ============ 抽象原型类 ============
class PrototypeWidget : public QWidget {
public:
    PrototypeWidget(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent) {}
    virtual ~PrototypeWidget() {}
    virtual PrototypeWidget* clone() const = 0;  // 原型接口
};

// ============ 具体原型类 ============
class CustomWidget : public PrototypeWidget {
public:
    CustomWidget(const QString &title, const QString &buttonText, QWidget *parent = nullptr)
        : PrototypeWidget(parent), m_title(title), m_buttonText(buttonText)
    {
        QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(this);
        m_label = new QLabel(m_title, this);
        m_button = new QPushButton(m_buttonText, this);
        layout->addWidget(m_label);
        layout->addWidget(m_button);
        setLayout(layout);
        resize(220, 120);
    }

    // 克隆自身
    PrototypeWidget* clone() const override {
        return new CustomWidget(m_title, m_buttonText);
    }

    // ====== 扩展功能：支持修改部分内容 ======
    void setTitle(const QString &title) {
        m_title = title;
        if (m_label) m_label->setText(m_title);
    }

    void setButtonText(const QString &text) {
        m_buttonText = text;
        if (m_button) m_button->setText(m_buttonText);
    }

private:
    QString m_title;
    QString m_buttonText;
    QLabel *m_label{nullptr};
    QPushButton *m_button{nullptr};
};

// ============ 原型管理器 ============
class PrototypeManager {
public:
    ~PrototypeManager() {
        qDeleteAll(m_prototypes);
    }

    void registerPrototype(const QString &name, PrototypeWidget *prototype) {
        if (m_prototypes.contains(name)) {
            delete m_prototypes[name];
        }
        m_prototypes[name] = prototype;
    }

    PrototypeWidget* create(const QString &name) {
        if (m_prototypes.contains(name)) {
            return m_prototypes[name]->clone();
        }
        return nullptr;
    }

private:
    QMap<QString, PrototypeWidget*> m_prototypes;
};

// ============ 使用示例 ============
int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);

    PrototypeManager manager;

    // 注册不同类型的窗口原型
    manager.registerPrototype("login", new CustomWidget("登录窗口", "登录"));
    manager.registerPrototype("register", new CustomWidget("注册窗口", "注册"));
    manager.registerPrototype("alert", new CustomWidget("警告", "确定"));

    // 克隆出 登录窗口
    CustomWidget *w1 = static_cast<CustomWidget*>(manager.create("login"));
    if (w1) {
        w1->setWindowTitle("克隆 - 登录");
        w1->move(100, 100);
        w1->show();
    }

    // 克隆出 注册窗口，并修改按钮文字
    CustomWidget *w2 = static_cast<CustomWidget*>(manager.create("register"));
    if (w2) {
        w2->setWindowTitle("克隆 - 注册");
        w2->setButtonText("立即注册");
        w2->move(350, 100);
        w2->show();
    }

    // 克隆出 警告窗口
    CustomWidget *w3 = static_cast<CustomWidget*>(manager.create("alert"));
    if (w3) {
        w3->setWindowTitle("克隆 - 警告");
        w3->move(600, 100);
        w3->show();
    }

    return app.exec();
}

四、完整示例代码

假设有一套 图形（Shape）类，包含圆形（Circle）、矩形（Rectangle），需要通过原型拷贝的方式创建新对象。

cpp 复制代码 
#include <QCoreApplication>
#include <QDebug>
#include <QString>
#include <QMap>

// Prototype 接口
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() {}
    virtual Shape* clone() const = 0;
    virtual void draw() const = 0;
};

// 具体原型类：圆形
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(int r = 0) : radius(r) {}
    Circle(const Circle& other) { radius = other.radius; }

    Shape* clone() const override {
        return new Circle(*this); // 深拷贝
    }

    void draw() const override {
        qDebug() << "绘制一个圆, 半径 =" << radius;
    }

private:
    int radius;
};

// 具体原型类：矩形
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(int w = 0, int h = 0) : width(w), height(h) {}
    Rectangle(const Rectangle& other) {
        width = other.width;
        height = other.height;
    }

    Shape* clone() const override {
        return new Rectangle(*this);
    }

    void draw() const override {
        qDebug() << "绘制一个矩形, 宽 =" << width << " 高 =" << height;
    }

private:
    int width;
    int height;
};

// PrototypeManager 原型管理器
class PrototypeManager {
public:
    void registerPrototype(const QString& name, Shape* prototype) {
        prototypes[name] = prototype;
    }

    void unregisterPrototype(const QString& name) {
        prototypes.remove(name);
    }

    Shape* create(const QString& name) {
        if (prototypes.contains(name)) {
            return prototypes[name]->clone();
        }
        return nullptr;
    }

private:
    QMap<QString, Shape*> prototypes;
};

// 客户端使用
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    PrototypeManager manager;

    // 注册原型
    manager.registerPrototype("circle", new Circle(10));
    manager.registerPrototype("rectangle", new Rectangle(20, 30));

    // 克隆对象
    Shape* c1 = manager.create("circle");
    Shape* r1 = manager.create("rectangle");

    if (c1) c1->draw();
    if (r1) r1->draw();

    // 再次克隆，得到新的对象
    Shape* c2 = manager.create("circle");
    if (c2) c2->draw();

    // 清理内存
    delete c1;
    delete r1;
    delete c2;

    return a.exec();
}
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