通俗易懂地解读原型模式（Prototype Pattern）
什么是原型模式？
原型模式是一种创建型设计模式，它让我们可以通过复制（克隆）一个现有的对象，快速生成一个新的对象，而不需要再次通过类的实例化来创建。
用大白话来说：
如果你已经有一个模子（原型），你就可以用这个模子快速复制出新对象，就像用模型复制黏土雕塑一样。这样，你不需要每次都从零开始重新雕一个。
为什么需要原型模式？
- 节省时间和资源：
- 如果对象的创建很复杂（比如需要加载文件、调用外部服务等），直接复制一个现成的对象会快很多。
- 动态创建对象：
- 有时候，我们在运行时并不知道需要创建什么类型的对象，使用原型模式可以很灵活地克隆已有的对象。
- 避免类的依赖：
- 不需要在代码中直接实例化某个类，只需复制一个已有的实例即可。
举个例子
假如你在一个图形设计软件中设计了一些图形（比如圆形和矩形）。这些图形可能需要很多属性：大小、颜色、边框等。现在你需要快速生成这些图形的副本，而不是每次都手动创建。
原型模式的实现
下面我们通过一个简单的例子，演示如何用 C++ 实现原型模式：
模拟一个图形系统，通过原型模式实现图形（圆形、矩形）的快速复制。
完整代码
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // 智能指针管理
// 抽象原型类
class Shape {
public:
virtual ~Shape() = default;
// 克隆方法，返回一个复制的对象
virtual std::shared_ptr<Shape> clone() const = 0;
// 显示图形信息
virtual void draw() const = 0;
};
// 圆形类
class Circle : public Shape {
public:
Circle(double radius) : radius_(radius) {}
// 实现克隆方法
std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
return std::make_shared<Circle>(*this); // 使用复制构造函数
}
// 显示圆形信息
void draw() const override {
std::cout << "绘制一个圆，半径为：" << radius_ << "\n";
}
private:
double radius_; // 半径
};
// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
public:
Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}
// 实现克隆方法
std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
return std::make_shared<Rectangle>(*this); // 使用复制构造函数
}
// 显示矩形信息
void draw() const override {
std::cout << "绘制一个矩形，宽为：" << width_ << "，高为：" << height_ << "\n";
}
private:
double width_; // 矩形的宽
double height_; // 矩形的高
};
// 客户端代码
int main() {
// 创建一个圆形原型
std::shared_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_shared<Circle>(10.0);
// 创建一个矩形原型
std::shared_ptr<Shape> rectanglePrototype = std::make_shared<Rectangle>(20.0, 15.0);
// 克隆圆形
std::shared_ptr<Shape> clonedCircle = circlePrototype->clone();
// 克隆矩形
std::shared_ptr<Shape> clonedRectangle = rectanglePrototype->clone();
// 显示克隆的图形
clonedCircle->draw(); // 输出：绘制一个圆，半径为：10
clonedRectangle->draw(); // 输出：绘制一个矩形，宽为：20，高为：15
return 0;
}
运行结果
运行以上代码后，将输出以下结果：
绘制一个圆，半径为：10
绘制一个矩形，宽为：20，高为：15
代码逐步解析
-
Shape类：- 它是一个抽象原型类，定义了一个
clone()方法，让所有子类实现复制的逻辑。 - 同时，
draw()方法用来显示图形信息。
- 它是一个抽象原型类，定义了一个
-
Circle和Rectangle类：- 它们是具体的原型类，继承自
Shape。 - 通过实现
clone()方法，使用复制构造函数完成克隆操作。 draw()方法显示图形的具体属性。
- 它们是具体的原型类，继承自
-
main函数（客户端）：- 客户端创建了一些原型对象（圆形和矩形）。
- 使用这些原型的
clone()方法，快速生成新的对象，并通过draw()方法显示它们。
通俗解释代码
clone()就像一个“复印机”，你放进去一个原型对象（比如一个圆形），它会帮你复印出一个一模一样的新对象。- 不同的图形类（如圆形、矩形）都有自己的复制逻辑，但客户端只需要调用
clone()就可以完成复制，而不需要关心复制细节。 - 最终，你可以轻松地复制出大量类似的对象，而无需每次手动创建。
原型模式的优缺点
优点
- 提高效率：
- 复制一个现成的对象比重新初始化一个对象快得多，特别是对象初始化代价很高时（比如加载资源或复杂计算）。
- 运行时动态创建：
- 不需要在编译时确定对象类型，运行时可以基于原型创建实例，灵活性更高。
- 减少耦合：
- 客户端只需要调用
clone()方法，而无需关心具体对象的创建细节。
- 客户端只需要调用
缺点
- 复杂的深拷贝：
- 如果对象有嵌套结构（比如对象内部还有对象），需要实现复杂的深拷贝逻辑。
- 内存管理复杂：
- 如果对象包含动态分配的资源，克隆时需要特别注意释放这些资源，否则可能导致内存泄漏。
适用场景
- 对象创建成本高：
- 比如包含大量数据或需要复杂初始化的对象，可以通过克隆快速复制。
- 需要创建相似对象：
- 比如游戏中的各种怪物、道具等，它们的基础属性相同，但某些细节可以在克隆后修改。
- 动态决定对象类型：
- 如果程序在运行时需要根据情况创建对象，可以通过原型模式更灵活地实现。
总结
原型模式是一种非常实用的设计模式，特别是在需要创建大量相似对象或对象创建成本较高的情况下。通过clone()方法，我们可以轻松地复制一个对象，避免了重新初始化的麻烦。在实际开发中，原型模式广泛用于游戏开发、图形处理、文档复制等场景。希望通过这个简单的图形示例，你已经能够理解并掌握这一设计模式！
完整代码块
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // 用于智能指针管理
// 抽象原型类
class Shape {
public:
virtual ~Shape() = default;
// 克隆方法，返回一个复制的对象
virtual std::shared_ptr<Shape> clone() const = 0;
// 显示图形信息
virtual void draw() const = 0;
// 设置名称，用于标识不同对象
void setName(const std::string& name) {
name_ = name;
}
// 获取对象名称
std::string getName() const {
return name_;
}
private:
std::string name_;
};
// 圆形类
class Circle : public Shape {
public:
Circle(double radius) : radius_(radius) {}
// 实现克隆方法
std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
return std::make_shared<Circle>(*this); // 使用复制构造函数
}
// 显示圆形信息
void draw() const override {
std::cout << "圆形对象 [" << getName() << "]，半径为：" << radius_ << "\n";
}
private:
double radius_; // 半径
};
// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
public:
Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}
// 实现克隆方法
std::shared_ptr<Shape> clone() const override {
return std::make_shared<Rectangle>(*this); // 使用复制构造函数
}
// 显示矩形信息
void draw() const override {
std::cout << "矩形对象 [" << getName() << "]，宽为：" << width_ << "，高为：" << height_ << "\n";
}
private:
double width_; // 矩形的宽
double height_; // 矩形的高
};
// 客户端代码
int main() {
// 创建原始圆形对象
std::shared_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_shared<Circle>(10.0);
circlePrototype->setName("原始圆形");
// 创建原始矩形对象
std::shared_ptr<Shape> rectanglePrototype = std::make_shared<Rectangle>(20.0, 15.0);
rectanglePrototype->setName("原始矩形");
// 克隆圆形
std::shared_ptr<Shape> clonedCircle = circlePrototype->clone();
clonedCircle->setName("拷贝圆形");
// 克隆矩形
std::shared_ptr<Shape> clonedRectangle = rectanglePrototype->clone();
clonedRectangle->setName("拷贝矩形");
// 显示原始和克隆的图形
std::cout << "=== 原始对象 ===\n";
circlePrototype->draw();
rectanglePrototype->draw();
std::cout << "\n=== 拷贝对象 ===\n";
clonedCircle->draw();
clonedRectangle->draw();
return 0;
}
运行结果
运行以上代码后，输出如下：
=== 原始对象 ===
圆形对象 [原始圆形]，半径为：10
矩形对象 [原始矩形]，宽为：20，高为：15
=== 拷贝对象 ===
圆形对象 [拷贝圆形]，半径为：10
矩形对象 [拷贝矩形]，宽为：20，高为：15
