C++设计模式——原型模式

什么是原型模式？

在GOF的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》中是这样说的：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。这这个定义中，最重要的一个词是“拷贝”，也就是口头上的复制，而这个拷贝，也就是原型模式的精髓所在。

举一个最简单的例子来说明原型模式：记得上小学的时候，老师把需要做的课外习题写到黑板上，而下面的我们都要把这些题抄写到自己的本子上，回家做好，第二天交上来，也就是每道题，全班50个人，每个人都要抄写一遍。按照现在的时间理论来说，就是浪费了50个人的时间。但是，那个时候条件限制，老师也是不得已而为之。现在好了，老师做一份电子版的习题，打印一份，然后拿着这份打印的原版，就可以复制出50份。

结合原型模式的概念进行分析，老师打印出来的那一份，就是“原型”，而复制出来的那50份，就是使用的“拷贝”。而原型模式就是这么简单的一个道理，通过现有的东西，再复制出一个来。

 

为什么要使用原型模式？

原型模式和建造者模式、工厂方法模式一样，都属于创建型模式的一种。简单的来说，我们使用原型模式，就是为了创建对象。但是，在以下场景下，使用原型模式是最好的选择：

1. 当我们的对象类型不是开始就能确定的，而这个类型是在运行期确定的话，那么我们通过这个类型的对象克隆出一个新的对象比较容易一些；
2. 有的时候，我们需要一个对象在某个状态下的副本，此时，我们使用原型模式是最好的选择；例如：一个对象，经过一段处理之后，其内部的状态发生了变化；这个时候，我们需要一个这个状态的副本，如果直接new一个新的对象的话，但是它的状态是不对的，此时，可以使用原型模式，将原来的对象拷贝一个出来，这个对象就和之前的对象是完全一致的了；
3. 当我们处理一些比较简单的对象时，并且对象之间的区别很小，可能就几个属性不同而已，那么就可以使用原型模式来完成，省去了创建对象时的麻烦了；
4. 有的时候，创建对象时，构造函数的参数很多，而自己又不完全的知道每个参数的意义，就可以使用原型模式来创建一个新的对象，不必去理会创建的过程，让创建过程见鬼去吧。

所以，在上述的的情况下，在设计的时候，适当的考虑一下原型模式，减少对应的工作量，减少程序的复杂度，提高效率。

 

用UML类图表示原型模式

由于克隆需要一个原型，而上面的类图中Prototype就这个原型，Prototype定义了克隆自身的Clone接口，由派生类进行实现，而实现原型模式的重点就在于这个Clone接口的实现。ConcretePrototype1类和ConcretePrototype2类继承自Prototype类，并实现Clone接口，实现克隆自身的操作；同时，在ConcretePrototype1类和ConcretePrototype2类中需要重写默认的复制构造函数，供Clone函数调用，Clone就是通过在内部调用重写的复制构造函数实现的。在后续的编码过程中，如果某个类需要实现Clone功能，就只需要继承Prototype类，然后重写自己的默认复制构造函数就好了。好比在C#中就提供了ICloneable接口，当某个类需要实现原型模式时，只需要实现这个接口的道理是一样的。

 

代码实现

#include <iostream>
using namespace std;

//接口
class Prototype
{
public :
    Prototype(){}
    virtual ~Prototype(){}

    virtual Prototype * Clone() = 0;
};

//实现
class ConcretePrototype : public Prototype
{
public :
    ConcretePrototype():m_counter(0){}
    virtual ~ConcretePrototype(){}

    //拷贝构造函数
    ConcretePrototype( const ConcretePrototype & rhs)
    {
        m_counter = rhs .m_counter;
    }

    //复制自身
    virtual ConcretePrototype * Clone()
    {
        //调用拷贝构造函数
        return new ConcretePrototype (*this );
    }

private :
    int m_counter;
};

int main(int argc , char **argv)
{
    //生成对像
    ConcretePrototype * conProA = new ConcretePrototype ();

    //复制自身
    ConcretePrototype * conProB = conProA->Clone();

    delete conProA;
    conProA= NULL ;

    delete conProB;
    conProB= NULL ;

    return 0;
}

上述代码实现了一个最简单的原型模式，但是已经将原型模式的基本实现原理展现出来了。而有的时候，当调用Clone获得了一个复制的对象以后，需要改变对象的状态，此时就可能需要在ConcretePrototype类中添加一个Initialize操作，专门用于初始化克隆对象。由于在Clone的内部调用的是复制构造函数，而此处又涉及到深复制和浅复制的问题。所以，在实际操作的过程中，这些问题，都需要进行仔细的考虑。

 

与其它创建型模式的比较

工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式和原型模式都是创建型模式。工厂方法模式适用于生产较复杂，一个工厂生产单一的一种产品的时候；抽象工厂模式适用于一个工厂生产多个相互依赖的产品；建造者模式着重于复杂对象的一步一步创建，组装产品的过程，并在创建的过程中，可以控制每一个简单对象的创建；原型模式则更强调的是从自身复制自己，创建要给和自己一模一样的对象。

 

总结

原型模式作为创建型模式中最特殊的一个模式，具体的创建过程，是由对象本身提供，这样我们在很多的场景下可以很方便的快速的构建新的对象。但是，原型模式的最大缺点是继承原型的子类都要实现Clone操作，这个是很困难的。例如，当所考虑的类已经存在时就难以新增Clone操作。当内部包括一些不支持拷贝或者有循环引用的对象时，实现克隆可能也会很困难。说以说，每一种设计模式都有它的优点和缺点，在设计的时候，我们需要进行权衡各方面的因素，扬长避短。