【C++设计模式】第五篇:原型模式(Prototype)
注意:复现代码时,确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。
克隆对象的效率革命
1. 模式定义与用途
核心思想
- 原型模式:通过复制现有对象(原型)来创建新对象,而非通过new构造。
- 关键用途:
1.减少初始化开销:适用于创建成本高的对象(如数据库连接)。
2.动态配置对象:运行时通过克隆生成预设配置的实例。
经典场景
- 游戏开发:批量生成相同属性的敌人或道具。
- 文档编辑:复制带格式的文本段落。
2. 模式结构解析
UML类图
+---------------------+ +---------------------+
| Prototype | | Client |
+---------------------+ +---------------------+
| + clone(): Prototype|<>------->| - prototype: Prototype
+---------------------+ +---------------------+ ^ |
+---------------------+
| ConcretePrototype |
+---------------------+
| + clone() |
+---------------------+
角色说明
Prototype:抽象接口,声明克隆方法clone()。ConcretePrototype:具体原型类,实现克隆逻辑。Client:通过调用 clone() 创建新对象。
3. 简单示例:基础克隆实现
#include <memory> // 抽象原型接口
class Enemy {
public: virtual ~Enemy() = default; virtual std::unique_ptr<Enemy> clone() const = 0; virtual void attack() const = 0;
}; // 具体原型:骷髅战士
class SkeletonWarrior : public Enemy {
public: std::unique_ptr<Enemy> clone() const override { return std::make_unique<SkeletonWarrior>(*this); // 调用拷贝构造函数 } void attack() const override { std::cout << "骷髅战士挥舞骨刀!\n"; }
}; // 使用克隆
auto original = std::make_unique<SkeletonWarrior>();
auto clone = original->clone();
clone->attack(); // 输出:骷髅战士挥舞骨刀!
4. 完整代码:原型管理器与深拷贝优化
场景:游戏敌人原型注册与批量生成
#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <memory>
#include <string> // 抽象敌人原型
class Enemy {
public: virtual ~Enemy() = default; virtual std::unique_ptr<Enemy> clone() const = 0; virtual void spawn() const = 0; virtual void setHealth(int health) = 0;
}; // 具体原型:火焰恶魔
class FireDemon : public Enemy {
public: FireDemon(int health, const std::string& color) : health_(health), color_(color) {} std::unique_ptr<Enemy> clone() const override { return std::make_unique<FireDemon>(*this); } void spawn() const override { std::cout << "生成" << color_ << "火焰恶魔(生命值:" << health_ << ")\n"; } void setHealth(int health) override { health_ = health; } private: int health_; std::string color_;
}; // 原型管理器(注册表)
class PrototypeRegistry {
public: void registerPrototype(const std::string& key, std::unique_ptr<Enemy> prototype) { prototypes_[key] = std::move(prototype); } std::unique_ptr<Enemy> createEnemy(const std::string& key) { auto it = prototypes_.find(key); if (it != prototypes_.end()) { return it->second->clone(); } return nullptr; } private: std::unordered_map<std::string, std::unique_ptr<Enemy>> prototypes_;
}; // 客户端代码
int main() { PrototypeRegistry registry; // 注册原型 registry.registerPrototype("red_demon", std::make_unique<FireDemon>(100, "红色")); registry.registerPrototype("blue_demon", std::make_unique<FireDemon>(80, "蓝色")); // 批量生成敌人 auto enemy1 = registry.createEnemy("red_demon"); auto enemy2 = registry.createEnemy("blue_demon"); auto enemy3 = registry.createEnemy("red_demon"); enemy1->spawn(); // 生成红色火焰恶魔(生命值:100) enemy2->spawn(); // 生成蓝色火焰恶魔(生命值:80) enemy3->setHealth(50); enemy3->spawn(); // 生成红色火焰恶魔(生命值:50)
}
5. 优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 避免重复初始化复杂对象 | 需正确处理深拷贝(尤其含指针成员时) |
| 动态添加/删除原型配置 | 每个类需实现克隆方法,增加代码量 |
| 与工厂模式结合扩展性强 | 对简单对象可能得不偿失 |
6. 调试与优化策略
调试技巧(VS2022)
1.深拷贝验证:
- 在拷贝构造函数中设置断点,观察成员变量是否被正确复制。
- 使用 内存断点 检测指针成员是否被重复释放。
2.原型注册表检查:
- 输出注册表的键列表,确认原型是否成功注册。
for (const auto& pair : prototypes_) { std::cout << "已注册原型: " << pair.first << "\n";
}
性能优化
1.原型预初始化:
- 在程序启动时预加载常用原型,减少运行时开销。
2.浅拷贝优化:
- 对只读数据成员使用浅拷贝(需确保生命周期安全)。
class CheapToCopyEnemy : public Enemy {
private: const Texture* sharedTexture_; // 只读资源,浅拷贝
};
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