设计模式之原型模式

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简介

有很多人说原型设计模式会节省机器内存，他们说是拷贝出来的对象，这些对象其实都是原型的复制，不会使用内存。这是不对的，因为拷贝出来的每一个对象都是实际存在的，每个对象都有自己的独立内存地址，都会被GC回收。如果就浅拷贝来说，可能会公用一些字段，深拷贝是不会的，所以说原型设计模式会提高内存使用率，不一定。具体还要看当时的设计，如果拷贝出来的对象缓存了，每次使用的是缓存的拷贝对象，那就另当别论了，再说该模式本身解决的不是内存使用率的问题。

原型模式本身解决的并不是内存使用率的问题,那么原型模式要解决的是什么问题呢？
在软件系统中，当创建一个类的实例的过程很昂贵或很复杂，并且我们需要创建多个这样类的实例时，如果我们用new操作符去创建这样的类实例，这就会增加创建类的复杂度和创建过程与客户代码复杂的耦合度。如果采用工厂模式来创建这样的实例对象的话，随着产品类的不断增加，导致子类的数量不断增多，也导致了相应工厂类的增加，维护的代码维度增加了，因为有产品和工厂两个维度了，反而增加了系统复杂程度，所以在这里使用工厂模式来封装类创建过程并不合适。由于每个类实例都是相同的，这个相同指的是类型相同，但是每个实例的状态参数会有不同，如果状态数值也相同就没意义了，有一个这样的对象就可以了。当我们需要多个相同的类实例时，可以通过对原来对象拷贝一份来完成创建，这个思路正是原型模式的实现方式。

动机

在软件系统中，经常面临着某些结构复杂的对象的创建工作；由于需求的变化，这些对象经常面临着剧烈的变化，但是它们却拥有比较稳定一致的接口。如何应对这种变化？如何向“客户程序（使用这些对象的程序）”隔离出“这些易变对象”，从而使得“依赖这些易变对象的客户程序”不随着需求改变而改变？

意图

使用原型实例指定创建对象的种类，然后通过拷贝这些原型来创建新的对象。

结构图

原型模式

角色

在原型模式中，Prototype通常提供一个包含Clone方法的接口，具体的原型ConcretePrototype使用Clone方法完成对象的创建。

  1. 原型类（Prototype）：抽象原型类，声明一个Clone自身的接口；
  2. 具体原型类（ConcretePrototype）：实现一个Clone自身的操作。

实现

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///////////////////////////////////////////////////////////////////////
//  客户端
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/// <summary>
/// 原型设计模式，每个具体原型是一类对象的原始对象，通过每个原型对象克隆出来的对象也可以进行设置，在原型的基础之上丰富克隆出来的对象，所以要设计好抽象原型的接口
/// </summary>
namespace 设计模式之原型模式
{
    /// <summary>
    /// 客户类
    /// </summary>
    class Customer
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Prototype xingZheSun = new XingZheSunPrototype();
            Prototype xingZheSun2 = xingZheSun.Clone();
            Prototype xingZheSun3 = xingZheSun.Clone();

            Prototype sunXingZhe = new SunXingZhePrototype();
            Prototype sunXingZhe2 = sunXingZhe.Clone();
            Prototype sunXingZhe3 = sunXingZhe.Clone();
            Prototype sunXingZhe4 = sunXingZhe.Clone();
            Prototype sunXingZhe5 = sunXingZhe.Clone();

            //1号孙行者打妖怪
            sunXingZhe.Fight();
            //2号孙行者去化缘
            sunXingZhe2.BegAlms();

            //战斗和化缘也可以分类，比如化缘，可以分：水果类化缘，饭食类化缘；战斗可以分为：天界宠物下界成妖的战斗，自然修炼成妖的战斗，大家可以自己去想吧，原型模式还是很有用的

            Console.Read();
        }
    }


///////////////////////////////////////////////////////////////////////
//  抽象原型类，需要定义一个Clone接口
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    /// <summary>
    /// 抽象原型，定义了原型本身所具有特征和动作，该类型就是至尊宝
    /// </summary>
    public abstract class Prototype
    {
        // 战斗--保护师傅
        public abstract void Fight();
        // 化缘--不要饿着师傅
        public abstract void BegAlms();

        // 吹口仙气--变化一个自己出来
        public abstract Prototype Clone();
    }

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//  具体原型类,实现一个Clone自身的操作。
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    /// <summary>
    /// 具体原型，例如：行者孙，他只负责化斋饭食和与天界宠物下界的妖怪的战斗
    /// </summary>
    public sealed class XingZheSunPrototype:Prototype
    {
        // 战斗--保护师傅--与自然修炼成妖的战斗
        public override void Fight()
        {
            Console.WriteLine("腾云驾雾，各种武艺");
        }
        // 化缘--不要饿着师傅--饭食类
        public override void BegAlms()
        {
            Console.WriteLine("什么都能要来");
        }

        // 吹口仙气--变化一个自己出来
        public override Prototype Clone()
        {
            return (XingZheSunPrototype)this.MemberwiseClone();
        }
    }

    /// <summary>
    /// 具体原型，例如：孙行者，他只负责与自然界修炼成妖的战斗和化斋水果
    /// </summary>
    public sealed class SunXingZhePrototype : Prototype
    {
        // 战斗--保护师傅-与天界宠物战斗
        public override void Fight()
        {
            Console.WriteLine("腾云驾雾，各种武艺");
        }
        // 化缘--不要饿着师傅---水果类
        public override void BegAlms()
        {
            Console.WriteLine("什么都能要来");
        }

        // 吹口仙气--变化一个自己出来
        public override Prototype Clone()
        {
            return (SunXingZhePrototype)this.MemberwiseClone();
        }
    }
}

实现要点

Prototype模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型（易变类）之间的耦合关系，它同样要求这些易变类拥有稳定的接口。

Prototype模式对于“如何创建易变类的实体对象”（创建型模式除了Singleton模式以外，都是用于解决创建易变类的实体对象的问题的）采用原型克隆的方法来做，它使得我们可以非常灵活地动态创建拥有某些稳定接口的新对象——所需工作仅仅是注册一个新类的对象（即原型），然后在任何需要的地方不断地Clone。

Prototype模式中的Clone方法可以利用.NET中的Object类的MemberwiseClone()方法或者序列化来实现深拷贝。

优缺点

优点

  1. 原型模式向客户隐藏了创建新实例的复杂性
  2. 原型模式允许动态增加或较少产品类。
  3. 原型模式简化了实例的创建结构，工厂方法模式需要有一个与产品类等级结构相同的等级结构，而原型模式不需要这样。
  4. 产品类不需要事先确定产品的等级结构，因为原型模式适用于任何的等级结构

缺点

  1. 每个类必须配备一个克隆方法
  2. 配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。

使用场景

在实际项目中，原型模式很少单独出现，一般是和工厂方法模式一起出现，通过clone的方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。

资源优化场景

  • 类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等。

性能和安全要求的场景

  • 通过new产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式。

    一个对象多个修改者的场景

  • 一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。

NET中的ICloneable接口

微软已经为我们提供了原型模式的接口实现，该接口就是ICloneable，其实这个接口就是抽象原型，提供克隆方法，相当于与上面代码中Prototype抽象类，其中的Clone()方法来实现原型模式，如果我们想我们自定义的类具有克隆的功能，首先定义类实现ICloneable接口的Clone方法。