类图： 原型设计模式类图
一.什么是原型设计模式？
原型模式（Prototype Pattern） 是一种创建型设计模式，它通过复制现有对象来生成新对象，而不是通过实例化类来创建。这种模式基于对象的克隆机制，适用于需要频繁创建对象的场景，可以提高性能并减少复杂的初始化过程。
二.原型模式的特点
- 克隆对象：通过复制已有对象生成新对象，而非通过构造函数创建。
- 性能优化：避免复杂对象创建的高开销。
- 灵活性：可以动态添加或删除原型，而不影响其他对象。
三.原型模式的结构
- Prototype（抽象原型类）：定义了克隆方法，通常是 clone() 方法。
- ConcretePrototype（具体原型类）：实现抽象原型类的克隆方法。
- Client（客户端）：调用克隆方法创建新对象，而无需关心对象的具体类型。
四.原型模式的优缺点
- 优点:
- 性能优势：克隆比重新创建对象效率更高。
- 动态性：无需编译时依赖类，可以在运行时动态生成对象。
- 避免依赖性：通过克隆机制，可以避免直接依赖类的构造函数。
- 缺点:
- 复杂性增加：需要正确实现克隆方法，尤其是深拷贝场景。
- 资源消耗：可能会为每个可克隆的对象维护克隆逻辑，导致类职责增多。
五.原型模式的 C++ 实现
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // for smart pointers
using namespace std;
// 抽象原型类
class Prototype {
public:
virtual ~Prototype() = default;
// 克隆方法（纯虚函数）
virtual unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;
virtual void display() const = 0;
};
// 具体原型类1
class ConcretePrototypeA : public Prototype {
private:
string data; // 模拟一些状态
public:
ConcretePrototypeA(string data) : data(data) {}
// 克隆方法
unique_ptr<Prototype> clone() const override {
return make_unique<ConcretePrototypeA>(*this); // 调用拷贝构造函数
}
void display() const override {
cout << "ConcretePrototypeA with data: " << data << endl;
}
};
// 具体原型类2
class ConcretePrototypeB : public Prototype {
private:
int value; // 模拟一些状态
public:
ConcretePrototypeB(int value) : value(value) {}
// 克隆方法
unique_ptr<Prototype> clone() const override {
return make_unique<ConcretePrototypeB>(*this); // 调用拷贝构造函数
}
void display() const override {
cout << "ConcretePrototypeB with value: " << value << endl;
}
};
// 客户端代码
void ClientCode(const Prototype& prototype) {
auto clonedObject = prototype.clone(); // 克隆一个对象
clonedObject->display(); // 显示克隆对象的内容
}
int main() {
// 创建原型对象
ConcretePrototypeA prototypeA("PrototypeA Data");
ConcretePrototypeB prototypeB(42);
cout << "Cloning ConcretePrototypeA:" << endl;
ClientCode(prototypeA);
cout << "\nCloning ConcretePrototypeB:" << endl;
ClientCode(prototypeB);
return 0;
}
六.原型模式的 Java 实现
// 抽象原型类
abstract class Prototype implements Cloneable {
public abstract Prototype clone();
public abstract void display();
}
// 具体原型类A
class ConcretePrototypeA extends Prototype {
private String data;
public ConcretePrototypeA(String data) {
this.data = data;
}
@Override
public Prototype clone() {
try {
return (Prototype) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new RuntimeException("Clone not supported!");
}
}
@Override
public void display() {
System.out.println("ConcretePrototypeA with data: " + data);
}
}
// 具体原型类B
class ConcretePrototypeB extends Prototype {
private int value;
public ConcretePrototypeB(int value) {
this.value = value;
}
@Override
public Prototype clone() {
try {
return (Prototype) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new RuntimeException("Clone not supported!");
}
}
@Override
public void display() {
System.out.println("ConcretePrototypeB with value: " + value);
}
}
// 客户端代码
public class PrototypePatternExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建原型对象
ConcretePrototypeA prototypeA = new ConcretePrototypeA("PrototypeA Data");
ConcretePrototypeB prototypeB = new ConcretePrototypeB(42);
System.out.println("Cloning ConcretePrototypeA:");
Prototype clonedA = prototypeA.clone();
clonedA.display();
System.out.println("\nCloning ConcretePrototypeB:");
Prototype clonedB = prototypeB.clone();
clonedB.display();
}
}
七. 代码解析
- 抽象原型类（Prototype）：
- 定义了一个 clone() 方法，用于生成当前对象的副本。
- 使用虚函数，使得派生类可以实现自己的克隆逻辑。
- 具体原型类（ConcretePrototypeA 和 ConcretePrototypeB）：
- 实现了 clone() 方法，通过调用自身的拷贝构造函数完成对象的克隆。
- ConcretePrototypeA 和 ConcretePrototypeB 模拟了不同的数据成员，演示了克隆不同类型对象的效果。
- 客户端代码：
- 接收一个 Prototype 对象的引用，并通过调用 clone() 方法克隆出一个新对象。
- 客户端无需关心具体的类，只需通过 Prototype 接口调用克隆方法即可。
八.总结
原型模式通过克隆的方式创建新对象，而不依赖于类的构造函数。这种模式在需要频繁创建对象、或者需要动态生成对象的场景中非常有用。通过正确实现 clone() 方法，可以有效提高程序的灵活性和性能。然而，在实现复杂对象的深拷贝时，需要特别注意对象之间的依赖关系和资源管理，以避免潜在的错误。
应用场景:
- 复杂对象的创建：初始化需要耗费大量资源的对象可以通过克隆来生成新对象。
- 性能优化：避免使用构造函数或工厂方法重复创建对象。
- 动态对象管理：需要动态生成对象而不依赖具体类。