C# 创建型设计模式----原型模式
1、值类型与引用类型、深拷贝与浅拷贝。
在了解原型模式前得先对这四个知识点有些了解。我先简单介绍一下这四个知识点。
1.1 值类型与引用类型(C#仅有这两种数据类型)
值类型:
常见的值类型:int、long、short、byte、float、double、bool、char、Struct(用户建立的结构体通常是值类型的)、Nullable Types(这是一个特殊的值类型,表示一个正常值或者空,比如int?
)
所谓值类型就是其能直接用来表示一个值。不需要实例化等操作(new),值类型变量声明后,不管是否已经赋值,编译器为其分配内存。
例如:
int a = 10;
int b = 20;
值类型直接存储在内存(称之为栈(STACK),栈以LIFO访问,后进栈的数据先被访问,栈的大小是固定的,不是动态分配的,所以访问速度快)中,当把一个值赋值给另外一个变量时,其实是把变量的值复制给了新的变量,而不会改变原有值。
引用类型:
常见的引用类型包括类(class),接口(interface),数组(array),委托(delegate)等。
引用类型是存储数据的引用也就是内存地址,实际数据是存储在托管堆(Managed Heap)上,用new动态分配内存,由GC(垃圾回收器)释放。
例如:
MyClass my=new MyClass();
区别:
-
存储位置:
- 值类型:直接存储数据,例如整数、浮点数、结构体等。值类型变量在赋值或传递参数时会进行值的复制。
- 引用类型:存储的是对象的引用,而对象的数据存储在堆上。引用类型变量在赋值或传递参数时,传递的是引用。
-
内存管理:
- 值类型:内存分配和释放由编译器自动处理,不需要手动管理内存。
- 引用类型:需要手动进行内存管理,使用
new
关键字分配内存,并通过垃圾回收机制自动释放内存。
-
传递方式:
- 值类型:作为参数传递给方法时,是将变量的副本传递给方法。
- 引用类型:作为参数传递给方法时,传递的是引用,方法中对引用类型的变量进行的任何修改都会影响到原始对象。
-
可空性:
- 值类型:可以是可空的,即可以赋予null值。
- 引用类型:本身就是引用,可以直接赋予null值
1.2、深克隆与浅克隆
浅克隆(Shallow Clone)
浅克隆是指复制对象的所有值类型字段,而对于引用类型字段,只是复制其引用地址,而不是复制引用的对象本身。这意味着,如果对象中包含引用类型的字段,改变目标对象中引用类型字段的值将反映到原始对象中,因为它们指向的是同一个堆上的地址
这有两个类,我们对其进行一个浅拷贝
/// <summary>
/// 引用类型
/// </summary>
public class Other
{public int Id { get; set; }
}public class MyClass{/// <summary>/// 值类型/// </summary>public int age { get; set; }/// <summary>/// 引用类型/// </summary>public Other other { get; set; }/// <summary>/// 浅拷贝/// </summary>/// <returns></returns>public MyClass RetureCopy(){return (MyClass)this.MemberwiseClone();//C#提供的浅拷贝方法}}
上面这个MyClass里既有引用类型也有值类型,下面是拷贝
private void WTBtn_Click(object sender, EventArgs e){//实例化一个引用类型MyClass my = new MyClass();my.name = "张三";my.age = 12;var other = my;//直接赋值也是浅拷贝。var AA = my.RetureCopy();//浅拷贝。other.name = "李四";//因为是引用类型,所以给other赋值,my相应的值也会改变other.age = 15;}
我们在赋值前打个断点看一下拷贝的AA对象的值发现完全等于my
然后继续改变AA的值发现怎么my的age值没有改变,但是里面的引用类型other的Id值跟着变成51了。
由此可以看出浅拷贝下,对象中包含引用类型的字段,改变目标对象中引用类型字段的值将反映到原始对象中。这是因为浅拷贝的引用类型仅拷贝的是内存地址,虽然是两个对象中不同的other对象,但其根本是指向同一个值的。
这里需要说明一下直接赋值的情况:如: var AA = my;这种也类似浅拷贝。其根本就是将my的内存地址赋给AA。所以改变AA里的所有字段,my的字段值也会跟着改变。
深克隆(Deep Clone)
深克隆不仅复制对象的所有值类型字段,还会复制引用类型字段所指向的对象。这样,深拷贝后的对象与源对象完全独立,其中一个对象的改动不会影响到另一个对象。例如,如果有一个包含引用类型字段的对象,深克隆会复制这个引用类型字段所指向的对象,而不是仅仅复制引用地址。
还是以这两个类举例(改变一些东西,对照上面的看深拷贝与浅拷贝的区别):
/// <summary>/// 引用类型/// </summary>[Serializable]public class Other{public int Id { get; set; }}[Serializable]//表示此类可以序列化,深克隆必须声明该特性public class MyClass{/// <summary>/// 值类型/// </summary>public int age { get; set; }/// <summary>/// 引用类型/// </summary>public Other other { get; set; }/// <summary>/// 浅拷贝/// </summary>/// <returns></returns>public MyClass RetureCopy(){return (MyClass)this.MemberwiseClone();//C#提供的浅拷贝方法}/// <summary>/// 深克隆(该方法可写到其他地方)/// </summary>/// <typeparam name="T"></typeparam>/// <param name="obj"></param>/// <returns></returns>public T DeepClone<T>(T obj){using (var memoryStream = new MemoryStream()){var formatter = new BinaryFormatter();formatter.Serialize(memoryStream, obj);memoryStream.Position = 0;return (T)formatter.Deserialize(memoryStream);}}}
进行深拷贝,可以看出对AA赋值再也影响不到my对象:
private void WTBtn_Click(object sender, EventArgs e){//实例化一个引用类型MyClass my = new MyClass();my.other = new Other();my.other.Id = 21;my.age = 12;var AA = my.DeepClone<MyClass>(my);//深拷贝。//虽然other是引用类型,但深拷贝后无法影响原来的对象AA.age = 15;AA.other.Id = 51;}
通过对比发现,只有引用类型受深拷贝浅拷贝的影响,值类型都是深拷贝!!
到这大概对深克隆,浅克隆有个大概映像了吧,那我们说正题,原型模式。
2、原型模式
2.1 基本介绍
具体可分为2个角色:
Prototype(原型类):声明一个Clone(克隆)自身的接口;
ConcretePrototype(具体原型类):,实现一个Clone(克隆)自身的操作。
在原型模式中,Prototype通常提供一个包含Clone方法的接口,具体的原型ConcretePrototype使用Clone方法完成对象的创建。
本质:通过拷贝这些原型对象创建新的对象。
根据其本质可以理解,原型本身就是通过一个自身的Clone方法来进行自我复制,从而产生新的对象。
既然是自我拷贝,那也就分为深拷贝与浅拷贝(具体参考上面)。
浅拷贝:通过this.MemberWiseClone(),对实例的值类型进行拷贝(包含string类型),对引用类型只拷贝了引用。浅拷贝只对值类型成员进行复制,对于引用类型,只是复制了其引用,并不复制其对象。
深拷贝:需要通过反射和序列化来实现。
2.2 应用场景
对象在创建(new)时,消耗资源过多或繁琐耗时。本质就是在对象的构造函数中有耗时长或者占用系统资源多的情况,使用原型模式进行复制对象时,可以省去这些耗时耗力的操作,直接获得对象的具体实例。
最常见的使用场景之一就是对象历史节点的保存,比如在对对象进行操作一次后,进行一次复制保存当前状态(恢复到某一历史状态),可实现撤销操作。
2.3 具体实例
原型类
/// <summary>/// 原型类/// </summary>[Serializable]//表示此类可以序列化,深克隆必须声明该特性public abstract class MyClass{/// <summary>/// 值类型/// </summary>public int age { get; set; }/// <summary>/// 引用类型/// </summary>public Other other { get; set; }/// <summary>/// 拷贝方法/// </summary>/// <returns></returns>public abstract MyClass Clone();}
具体原型类(浅拷贝)
/// <summary>/// 创建具体原型/// </summary>public class My : MyClass{/// <summary>/// 浅克隆/// </summary>/// <returns></returns>public override MyClass Clone(){return (MyClass)base.MemberwiseClone();}}
使用
private void WTBtn_Click(object sender, EventArgs e)
{//实例化一个引用类型My my = new My();my.other = new Other();my.other.Id = 21;my.age = 12;Console.WriteLine($"拷贝前:other.Id:{my.other.Id},age{my.age}");var AA = my.Clone();//深拷贝。AA.age = 15;AA.other.Id = 51;Console.WriteLine($"拷贝后:other.Id:{my.other.Id},age{my.age}");
}
具体原型类(深拷贝)
[Serializable]public class My : MyClass{/// <summary>/// 深克隆/// </summary>/// <returns></returns>public override MyClass Clone(){using (var memoryStream = new MemoryStream()){var formatter = new BinaryFormatter();formatter.Serialize(memoryStream, this);memoryStream.Position = 0;return (MyClass)formatter.Deserialize(memoryStream);}}}
使用
private void WTBtn_Click(object sender, EventArgs e)
{//实例化一个引用类型My my = new My();my.other = new Other();my.other.Id = 21;my.age = 12;Console.WriteLine($"拷贝前:other.Id:{my.other.Id},age{my.age}");var AA = my.Clone();//深拷贝。AA.age = 15;AA.other.Id = 51;Console.WriteLine($"拷贝后:other.Id:{my.other.Id},age{my.age}");
}
结语:知道什么是深克隆什么是浅克隆后,原型模式理解起来就不会有太大的困难了。
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