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原型模式 (Prototype)

原型模式 是一种创建型设计模式，它通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过实例化。

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意图

• 使用原型实例指定要创建的对象类型，并通过复制该原型来生成新对象。
• 提供一种高效创建对象的方式，尤其是当对象的创建成本较高时。

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使用场景

1. 对象创建成本高：
   • 如果直接实例化对象开销较大（如对象初始化需要大量资源），可以通过克隆已存在的对象快速生成新实例。
2. 复杂对象需要重复创建：
   • 当对象的结构较复杂，需要创建多个相似对象时。
3. 避免直接依赖具体类：
   • 原型模式通过复制实例而不是直接依赖构造函数，可以减少对具体类的依赖。

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参与者角色

1. 原型接口 (Prototype)
   • 定义一个克隆方法，用于复制对象。
2. 具体原型 (Concrete Prototype)
   • 实现原型接口，定义克隆方法，返回当前实例的复制品。
3. 客户端 (Client)
   • 使用原型接口创建新对象，而不直接依赖具体类。

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示例代码

以下示例展示了如何使用原型模式创建几种不同类型的图形对象。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>// 原型接口
class Shape {
public:virtual ~Shape() {}virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;virtual void draw() const = 0;
};// 具体原型：圆形
class Circle : public Shape {
private:int radius;public:Circle(int r) : radius(r) {}// 实现克隆方法std::unique_ptr<Shape> clone() const override {return std::make_unique<Circle>(*this);}void draw() const override {std::cout << "Drawing a Circle with radius: " << radius << std::endl;}
};// 具体原型：矩形
class Rectangle : public Shape {
private:int width, height;public:Rectangle(int w, int h) : width(w), height(h) {}// 实现克隆方法std::unique_ptr<Shape> clone() const override {return std::make_unique<Rectangle>(*this);}void draw() const override {std::cout << "Drawing a Rectangle with width: " << width<< " and height: " << height << std::endl;}
};// 客户端代码
int main() {// 创建具体原型std::unique_ptr<Shape> circlePrototype = std::make_unique<Circle>(10);std::unique_ptr<Shape> rectanglePrototype = std::make_unique<Rectangle>(20, 30);// 克隆原型auto circle1 = circlePrototype->clone();auto circle2 = circlePrototype->clone();auto rectangle1 = rectanglePrototype->clone();// 使用克隆对象circle1->draw(); // 输出：Drawing a Circle with radius: 10circle2->draw(); // 输出：Drawing a Circle with radius: 10rectangle1->draw(); // 输出：Drawing a Rectangle with width: 20 and height: 30return 0;
}

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代码解析

1. 原型接口

• 定义了 clone() 方法，用于创建当前对象的副本：

virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;

2. 具体原型类

• Circle 和 Rectangle 是具体原型类，分别实现了 clone() 方法，返回自身的副本：

std::unique_ptr<Shape> clone() const override {return std::make_unique<Circle>(*this);
}

3. 客户端

• 客户端通过调用 clone() 方法创建对象，而无需直接依赖具体类：

auto circle1 = circlePrototype->clone();
circle1->draw();

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优缺点

优点

1. 对象复制高效：
   • 直接复制对象比重新实例化速度更快。
2. 减少依赖：
   • 客户端代码无需依赖具体类的构造函数。
3. 动态创建对象：
   • 可在运行时动态生成对象，而不是在编译时确定。

缺点

1. 深拷贝复杂性：
   • 如果对象中包含指针或其他复杂资源，需特别注意深拷贝逻辑。
2. 实现复杂：
   • 需要为每个类实现 clone() 方法，增加了一定的代码量。

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适用场景

• 需要大量相似对象：如图形编辑器中需要重复创建类似图形。
• 对象初始化成本高：如大型游戏中加载模型、地图等资源。
• 需要动态生成对象：如根据配置文件动态生成对象。

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改进与扩展

1. 深拷贝支持

   • 如果对象包含动态内存或指针成员变量，需要实现深拷贝以避免资源共享问题。

2. 结合原型注册表

   • 使用注册表保存所有原型实例，根据名称或类型动态克隆对象：

   class PrototypeRegistry {
   private:std::unordered_map<std::string, std::unique_ptr<Shape>> prototypes;public:void registerPrototype(const std::string& name, std::unique_ptr<Shape> prototype) {prototypes[name] = std::move(prototype);}std::unique_ptr<Shape> create(const std::string& name) const {return prototypes.at(name)->clone();}
   };
   

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总结

原型模式通过复制已有对象来快速创建新对象，避免了复杂的初始化逻辑，并减少了对具体类的依赖。
它适用于需要动态生成大量相似对象或高效创建对象的场景。