C++設計模式——原型模式

什麼是原型模式？

在GOF的《設計模式：可複用面向對象軟體的基礎》中是這樣說的：用原型執行個體指定建立對象的種類，并且通過拷貝這些原型建立新的對象。這這個定義中，最重要的一個詞是“拷貝”，也就是口頭上的複制，而這個拷貝，也就是原型模式的精髓所在。

舉一個最簡單的例子來說明原型模式：記得上國小的時候，老師把需要做的課外習題寫到黑闆上，而下面的我們都要把這些題抄寫到自己的本子上，回家做好，第二天交上來，也就是每道題，全班50個人，每個人都要抄寫一遍。按照現在的時間理論來說，就是浪費了50個人的時間。但是，那個時候條件限制，老師也是不得已而為之。現在好了，老師做一份電子版的習題，列印一份，然後拿着這份列印的原版，就可以複制出50份。

結合原型模式的概念進行分析，老師列印出來的那一份，就是“原型”，而複制出來的那50份，就是使用的“拷貝”。而原型模式就是這麼簡單的一個道理，通過現有的東西，再複制出一個來。

為什麼要使用原型模式？

原型模式和建造者模式、工廠方法模式一樣，都屬于建立型模式的一種。簡單的來說，我們使用原型模式，就是為了建立對象。但是，在以下場景下，使用原型模式是最好的選擇：

當我們的對象類型不是開始就能确定的，而這個類型是在運作期确定的話，那麼我們通過這個類型的對象克隆出一個新的對象比較容易一些；
有的時候，我們需要一個對象在某個狀态下的副本，此時，我們使用原型模式是最好的選擇；例如：一個對象，經過一段處理之後，其内部的狀态發生了變化；這個時候，我們需要一個這個狀态的副本，如果直接new一個新的對象的話，但是它的狀态是不對的，此時，可以使用原型模式，将原來的對象拷貝一個出來，這個對象就和之前的對象是完全一緻的了；
當我們處理一些比較簡單的對象時，并且對象之間的差別很小，可能就幾個屬性不同而已，那麼就可以使用原型模式來完成，省去了建立對象時的麻煩了；
有的時候，建立對象時，構造函數的參數很多，而自己又不完全的知道每個參數的意義，就可以使用原型模式來建立一個新的對象，不必去理會建立的過程，讓建立過程見鬼去吧。

是以，在上述的的情況下，在設計的時候，适當的考慮一下原型模式，減少對應的工作量，減少程式的複雜度，提高效率。

用UML類圖表示原型模式

由于克隆需要一個原型，而上面的類圖中Prototype就這個原型，Prototype定義了克隆自身的Clone接口，由派生類進行實作，而實作原型模式的重點就在于這個Clone接口的實作。ConcretePrototype1類和ConcretePrototype2類繼承自Prototype類，并實作Clone接口，實作克隆自身的操作；同時，在ConcretePrototype1類和ConcretePrototype2類中需要重寫預設的複制構造函數，供Clone函數調用，Clone就是通過在内部調用重寫的複制構造函數實作的。在後續的編碼過程中，如果某個類需要實作Clone功能，就隻需要繼承Prototype類，然後重寫自己的預設複制構造函數就好了。好比在C#中就提供了ICloneable接口，當某個類需要實作原型模式時，隻需要實作這個接口的道理是一樣的。

代碼實作

1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 //接口
 5 class Prototype
 6 {
 7 public :
 8     Prototype(){}
 9     virtual ~Prototype(){}
10 
11     virtual Prototype * Clone() = 0;
12 };
13 
14 //實作
15 class ConcretePrototype : public Prototype
16 {
17 public :
18     ConcretePrototype():m_counter(0){}
19     virtual ~ConcretePrototype(){}
20 
21     //拷貝構造函數
22     ConcretePrototype( const ConcretePrototype & rhs)
23     {
24         m_counter = rhs .m_counter;
25     }
26 
27     //複制自身
28     virtual ConcretePrototype * Clone()
29     {
30         //調用拷貝構造函數
31         return new ConcretePrototype (*this );
32     }
33 
34 private :
35     int m_counter;
36 };
37 
38 int main(int argc , char **argv)
39 {
40     //生成對像
41     ConcretePrototype * conProA = new ConcretePrototype ();
42 
43     //複制自身
44     ConcretePrototype * conProB = conProA->Clone();
45 
46     delete conProA;
47     conProA= NULL ;
48 
49     delete conProB;
50     conProB= NULL ;
51 
52     return 0;
53 }

上述代碼實作了一個最簡單的原型模式，但是已經将原型模式的基本實作原理展現出來了。而有的時候，當調用Clone獲得了一個複制的對象以後，需要改變對象的狀态，此時就可能需要在ConcretePrototype類中添加一個Initialize操作，專門用于初始化克隆對象。由于在Clone的内部調用的是複制構造函數，而此處又涉及到深複制和淺複制的問題。是以，在實際操作的過程中，這些問題，都需要進行仔細的考慮。

與其它建立型模式的比較

工廠方法模式、抽象工廠模式、建造者模式和原型模式都是建立型模式。工廠方法模式适用于生産較複雜，一個工廠生産單一的一種産品的時候；抽象工廠模式适用于一個工廠生産多個互相依賴的産品；建造者模式着重于複雜對象的一步一步建立，組裝産品的過程，并在建立的過程中，可以控制每一個簡單對象的建立；原型模式則更強調的是從自身複制自己，建立要給和自己一模一樣的對象。

總結

原型模式作為建立型模式中最特殊的一個模式，具體的建立過程，是由對象本身提供，這樣我們在很多的場景下可以很友善的快速的建構新的對象。但是，原型模式的最大缺點是繼承原型的子類都要實作Clone操作，這個是很困難的。例如，當所考慮的類已經存在時就難以新增Clone操作。當内部包括一些不支援拷貝或者有循環引用的對象時，實作克隆可能也會很困難。說以說，每一種設計模式都有它的優點和缺點，在設計的時候，我們需要進行權衡各方面的因素，揚長避短。