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23种设计模式-原型(Prototype)设计模式

news 2025/10/26 17:40:42

文章目录

一.什么是原型设计模式？
二.原型模式的特点
三.原型模式的结构
四.原型模式的优缺点
五.原型模式的 C++ 实现
六.原型模式的 Java 实现
七. 代码解析
八.总结

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;}@Overridepublic Prototype clone() {try {return (Prototype) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported!");}}@Overridepublic 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;}@Overridepublic Prototype clone() {try {return (Prototype) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported!");}}@Overridepublic 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。