设计模式之原型模式--Prototype Pattern

原型模式的用意是：通过给出一个原型对象来指明所要创建的对象类型，然后用复制这个原型对象的办法创建出更多的同类型对象。

从孙大圣的手段谈起

孙悟空在与黄风怪的战斗中，"使一个身外身的手段：把毫毛揪下一把，用口嚼得粉碎，望上一喷，叫声'变'，变有百十个行者，都是一样得打扮，各执一根铁棒，把那怪围在空中。"换而言之，孙悟空可以根据自己的形象，复制出很多"身外身"来。

老孙这种身外身的手段在面向对象设计领域里叫原型（Prototype）模式。

C#对原型模式的支持

在C#里面，我们可以很容易的通过Clone()方法实现原型模式。任何类，只要想支持克隆，必须实现C#中的ICloneable接口。ICloneable接口中有一Clone方法，可以在类中复写实现自定义的克隆方法。克隆的实现方法有两种：浅拷贝（shallow copy）与深拷贝（deep copy）。

（以下摘自：《.NET框架程序设计（修订版）》，李建忠译）浅拷贝是指当对象的字段值被拷贝时，字段引用的对象不会被拷贝。例如，如果一个对象有一个指向字符串的字段，并且我们对该对象做了一个浅拷贝，那么两个对象将引用同一个字符串。而深拷贝是对对象实例中字段引用的对象也进行拷贝的一种方式，所以如果一个对象有一个指向字符串的字段，并且我们对该对象做了一个深拷贝的话，我们将创建一个新的对象和一个新的字符串--新对象将引用新字符串。需要注意的是执行深拷贝后，原来的对象和新创建的对象不会共享任何东西；改变一个对象对另外一个对象没有任何影响。

二、 Prototype模式的结构：

客户（Client）角色：客户类提出创建对象的请求。
抽象原型（Prototype）角色：这是一个抽象角色，通常由一个C#接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体原型类所需的接口。在C#中，抽象原型角色通常实现了ICloneable接口。
具体原型（Concrete Prototype）角色：被复制的对象。此角色需要实现抽象原型角色所要求的接口。

三、 程序举例：

下面的程序给出了一个示意性的实现：

// Prototype pattern -- Structural example 
using System;

// "Prototype"
abstract class Prototype
{
 // Fields
 private string id;

 // Constructors
 public Prototype( string id )
 {
 this.id = id;
 }

 public string Id
 {
 get{ return id; }
 }

 // Methods
 abstract public Prototype Clone();
}

// "ConcretePrototype1"
class ConcretePrototype1 : Prototype
{
 // Constructors
 public ConcretePrototype1( string id ) : base ( id ) {}

 // Methods
 override public Prototype Clone()
 {
 // Shallow copy
 return (Prototype)this.MemberwiseClone();
 }
}

// "ConcretePrototype2"
class ConcretePrototype2 : Prototype
{
 // Constructors
 public ConcretePrototype2( string id ) : base ( id ) {}

 // Methods
 override public Prototype Clone()
 {
 // Shallow copy
 return (Prototype)this.MemberwiseClone();
 }
}

/// <summary>
/// Client test
/// </summary>
class Client
{
 public static void Main( string[] args )
 {
 // Create two instances and clone each
 ConcretePrototype1 p1 = new ConcretePrototype1( "I" );
 ConcretePrototype1 c1 = (ConcretePrototype1)p1.Clone();
 Console.WriteLine( "Cloned: {0}", c1.Id );

 ConcretePrototype2 p2 = new ConcretePrototype2( "II" );
 ConcretePrototype2 c2 = (ConcretePrototype2)p2.Clone();
 Console.WriteLine( "Cloned: {0}", c2.Id );
 }
}

这个例子实现了一个浅拷贝。其中MemberwiseClone()方法是Object类的一个受保护方法，实现了对象的浅拷贝。如果希望实现一个深拷贝，应该实现ICloneable接口，并自己编写ICloneable的Clone接口方法。

四、 带Prototype Manager的原型模式

原型模式的第二种形式是带原型管理器的原型模式，其UML图如下：

客户（Client）角色：客户端类向原型管理器提出创建对象的请求。
抽象原型（Prototype）角色：这是一个抽象角色，通常由一个C#接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体原型类所需的接口。在C#中，抽象原型角色通常实现了ICloneable接口。
具体原型（Concrete Prototype）角色：被复制的对象。此角色需要实现抽象的原型角色所要求的接口。
原型管理器（Prototype Manager）角色：创建具体原型类的对象，并记录每一个被创建的对象。

下面这个例子演示了在原型管理器中存储用户预先定义的颜色原型，客户通过原型管理器克隆颜色对象。

// Prototype pattern -- Real World example 
using System;
using System.Collections;

// "Prototype"
abstract class ColorPrototype
{
 // Methods
 public abstract ColorPrototype Clone();
}

// "ConcretePrototype"
class Color : ColorPrototype
{
 // Fields
 private int red, green, blue;

 // Constructors
 public Color( int red, int green, int blue)
 {
 this.red = red;
 this.green = green;
 this.blue = blue;
 }

 // Methods
 public override ColorPrototype Clone()
 {
 // Creates a 'shallow copy'
 return (ColorPrototype) this.MemberwiseClone();
 }

 public void Display()
 {
 Console.WriteLine( "RGB values are: {0},{1},{2}",
 red, green, blue );
 }
}

// Prototype manager
class ColorManager
{
 // Fields
 Hashtable colors = new Hashtable();

 // Indexers
 public ColorPrototype this[ string name ]
 {
 get{ return (ColorPrototype)colors[ name ]; }
 set{ colors.Add( name, value ); }
 }
}

/// <summary>
/// PrototypeApp test
/// </summary>
class PrototypeApp
{
 public static void Main( string[] args )
 {
 ColorManager colormanager = new ColorManager();

 // Initialize with standard colors
 colormanager[ "red" ] = new Color( 255, 0, 0 );
 colormanager[ "green" ] = new Color( 0, 255, 0 );
 colormanager[ "blue" ] = new Color( 0, 0, 255 );

 // User adds personalized colors
 colormanager[ "angry" ] = new Color( 255, 54, 0 );
 colormanager[ "peace" ] = new Color( 128, 211, 128 );
 colormanager[ "flame" ] = new Color( 211, 34, 20 );

 // User uses selected colors
 string colorName = "red";
 Color c1 = (Color)colormanager[ colorName ].Clone();
 c1.Display();

 colorName = "peace";
 Color c2 = (Color)colormanager[ colorName ].Clone();
 c2.Display();

 colorName = "flame";
 Color c3 = (Color)colormanager[ colorName ].Clone();
 c3.Display();
 }
}

五、 浅拷贝与深拷贝

下面给出浅拷贝与深拷贝的两个例子，例子使用了ICloneable接口。C#中的数组是引用型的变量，我们通过数组来进行演示：

浅拷贝：

using System;

class ShallowCopy : ICloneable
{
 public int[] v = {1,2,3};

 public Object Clone()
 {
 return this.MemberwiseClone();
 }

 public void Display()
 {
 foreach(int i in v)
 Console.Write( i + ", ");
 Console.WriteLine();
 }
}

class Client
{
 public static void Main()
 {
 ShallowCopy sc1 = new ShallowCopy();
 ShallowCopy sc2 = (ShallowCopy)sc1.Clone();
 sc1.v[0] = 9;

 sc1.Display();
 sc2.Display();
 }
}

ShallowCopy对象实现了一个浅拷贝，因此当对sc1进行克隆时，其字段v并没有克隆，这导致sc1与sc2的字段v都指向了同一个v，因此，当修改了sc1的v[0]后，sc2的v[0]也发生了变化。

深拷贝：

using System;

class DeepCopy : ICloneable
{
 public int[] v = {1,2,3};

 // 默认构造函数
 public DeepCopy()
 {
 }

 // 供Clone方法调用的私有构造函数
 private DeepCopy(int[] v)
 {
 this.v = (int[])v.Clone();
 }

 public Object Clone()
 {
 // 构造一个新的DeepCopy对象，构造参数为
 // 原有对象中使用的 v 
 return new DeepCopy(this.v);
 }

 public void Display()
 {
 foreach(int i in v)
 Console.Write( i + ", ");
 Console.WriteLine();
 }
}

class Client
{
 public static void Main()
 {
 DeepCopy dc1 = new DeepCopy();
 DeepCopy dc2 = (DeepCopy)dc1.Clone();
 dc1.v[0] = 9;

 dc1.Display();
 dc2.Display();
 }
}

这次在克隆的时候，不但克隆对象本身，连里面的数组字段一并克隆。因此，最终打印出来的dc1与dc2不同。

六、 Prototype模式的优点与缺点

Prototype模式的优点包括

1、Prototype模式允许动态增加或减少产品类。由于创建产品类实例的方法是产批类内部具有的，因此增加新产品对整个结构没有影响。

2、Prototype模式提供了简化的创建结构。工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的等级结构，而Prototype模式就不需要这样。

3、Portotype模式具有给一个应用软件动态加载新功能的能力。由于Prototype的独立性较高，可以很容易动态加载新功能而不影响老系统。

4、产品类不需要非得有任何事先确定的等级结构，因为Prototype模式适用于任何的等级结构。

Prototype模式的缺点：

Prototype模式的最主要缺点就是每一个类必须配备一个克隆方法。而且这个克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，不一定是件容易的事。

转载于:https://www.cnblogs.com/tzh521241/archive/2012/11/11/PrototypePattern.html