【设计模式】—五大创建型之原型模式

五大创建型设计模式：

单例模式，策略模式，观察者模式，工厂模式，原型模式

原型模式（Prototype Pattern）详解
原型模式是一种创建型设计模式，通过复制现有对象（原型）来创建新对象，避免重复初始化操作，尤其适用于创建成本高的对象（如数据库连接、复杂配置对象）。

1. 核心概念
        Prototype（原型接口）：声明克隆方法（如 clone()）。
        Concrete Prototype（具体原型）：实现克隆方法，复制自身。
        Client（客户端）：通过克隆原型对象创建新实例。

2. C++ 代码示例
场景：游戏中的敌人角色复制，每个敌人有位置、血量、技能列表（需深拷贝）。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>

// 1. 原型接口
class Enemy {
public:
    virtual ~Enemy() = default;
    virtual std::unique_ptr<Enemy> clone() const = 0; // 克隆方法
    virtual void display() const = 0;
    virtual void setPosition(int x, int y) = 0;
};

// 2. 具体原型：弓箭手
class Archer : public Enemy {
private:
    int x_, y_;
    float health_;
    std::vector<std::string> skills_; // 需深拷贝的成员

public:
    Archer(int x, int y, float health, const std::vector<std::string>& skills)
        : x_(x), y_(y), health_(health), skills_(skills) {}

    std::unique_ptr<Enemy> clone() const override {
        return std::make_unique<Archer>(*this); // 调用拷贝构造函数
    }

    void display() const override {
        std::cout << "Archer at (" << x_ << ", " << y_ << "), Health: " << health_
                  << ", Skills: ";
        for (const auto& skill : skills_) {
            std::cout << skill << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    void setPosition(int x, int y) override {
        x_ = x;
        y_ = y;
    }

    // 自定义拷贝构造函数（深拷贝）
    Archer(const Archer& other)
        : x_(other.x_), y_(other.y_), health_(other.health_), skills_(other.skills_) {}
};

// 3. 客户端使用
int main() {
    // 创建原型对象
    std::unique_ptr<Enemy> prototype = std::make_unique<Archer>(
        10, 20, 100.0f, std::vector<std::string>{"Fire Arrow", "Triple Shot"});

    // 克隆新对象并修改位置
    auto enemy1 = prototype->clone();
    enemy1->setPosition(30, 40);
    enemy1->display(); 
    // 输出：Archer at (30, 40), Health: 100, Skills: Fire Arrow Triple Shot 

    // 再次克隆（完全独立的新对象）
    auto enemy2 = prototype->clone();
    enemy2->display(); 
    // 输出：Archer at (10, 20), Health: 100, Skills: Fire Arrow Triple Shot 

    return 0;
}

3. 关键实现细节
        深拷贝与浅拷贝：
                默认拷贝构造函数执行浅拷贝，若对象包含指针或动态资源，需手动实现深拷贝。
                示例中 skills_ 是 std::vector，其拷贝构造函数自动深拷贝，无需额外处理。若成员为原生指针，需手动复制数据。
        clone() 方法：
                返回 std::unique_ptr<Enemy>，由智能指针管理资源，避免内存泄漏。
                调用具体原型的拷贝构造函数生成新对象。
        性能优化：
                预先创建并缓存原型对象，避免重复初始化高成本资源（如加载模型、读取配置文件）。

4. 面试高频问题
Q1：原型模式与工厂模式的区别？
        工厂模式：通过工厂类创建新对象，可能涉及复杂初始化逻辑。
        原型模式：通过复制现有对象创建新对象，适合对象创建成本高的场景。
Q2：深拷贝与浅拷贝如何实现？
        浅拷贝：仅复制指针地址，新旧对象共享同一块内存（危险！）。
        深拷贝：复制指针指向的数据，新旧对象完全独立。
        C++实现：自定义拷贝构造函数和赋值运算符。
Q3：原型模式的优缺点？
        优点：
                避免重复初始化，提升性能。
                动态添加或删除产品（通过修改原型配置）。
        缺点：
                深拷贝实现复杂（尤其含循环引用时）。
                需暴露对象内部细节（需公有拷贝构造函数）。
Q4：哪些场景适合原型模式？
        对象初始化需要大量资源（如数据库连接、3D模型加载）。
        需快速生成相似对象（如游戏中的大量NPC）。
        对象状态需动态保存和恢复（如撤销操作的历史记录）。
6. 扩展：原型管理器（Registry）
        维护一个原型对象的注册表，客户端按名称获取原型并克隆：

总结
原型模式通过复制而非新建的方式高效创建对象，核心在于：

实现正确的深拷贝（尤其含动态资源时）。
提供统一的克隆接口（clone() 方法）。
结合原型管理器提升灵活性和可维护性。