（原创）无废话C#设计模式之五：Prototype

 

无废话C#设计模式之五：Prototype

 

意图

 

       用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

 

场景

 

       游戏场景中的有很多相似的敌人，它们的技能都一样，但是随着敌人出现的位置不同，这些人的能力不太一样。假设，我们现在需要把三个步兵组成一队，其中还有一个精英步兵，能力特别高。那么，你或许可以创建一个敌人抽象类，然后对于不同能力的步兵创建不同的子类。然后，使用工厂方法等设计模式让调用方依赖敌人抽象类。

       问题来了，如果有无数种能力不同步兵，难道需要创建无数子类吗？还有，步兵模型的初始化工作是非常耗时的，创建这么多步兵对象可能还会浪费很多时间。我们是不是可以通过只创建一个步兵原型，然后复制出多个一摸一样的步兵呢？复制后，只需要调整一下这些对象在地图上出现的位置，或者调整一下它们的能力即可。原型模式就是用来解决这个问题的。

 

示例代码

 

using System;

using System.Threading;

using System.Collections.Generic;

using System.IO;

using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;

using System.Diagnostics;

 

namespace PrototypeExample

{

    class Program

    {

        static void Main(string[] args)

        {

            Stopwatch sw = new Stopwatch();

            sw.Start();

 

            Enemy enemyPrototype = new FootMan(5, 4, new Location(100, 200));

            GameScene gs = new GameScene();

            List<Enemy> enemyGroup = gs.CreateEnemyGroup(enemyPrototype);

 

            foreach (FootMan ft in enemyGroup)

            {

                ft.ShowInfo();

                ft.FootmanAttack();

            }

            Console.WriteLine(sw.ElapsedMilliseconds);

        }

    }

 

    class GameScene

    {

        public List<Enemy> CreateEnemyGroup(Enemy enemyPrototype)

        {

            List<Enemy> enemyGroup = new List<Enemy>();

            Enemy e1 = enemyPrototype.Clone(true);

            e1.Location.x = enemyPrototype.Location.x - 10;

            Enemy e2 = enemyPrototype.Clone(true);

            e2.Location.x = enemyPrototype.Location.x + 10;

            Enemy elite = enemyPrototype.Clone(true);

            elite.Power = enemyPrototype.Power * 2;

            elite.Speed = enemyPrototype.Speed * 2;

            elite.Location.x = enemyPrototype.Location.x;

            elite.Location.y = enemyPrototype.Location.y + 10;

            enemyGroup.Add(e1);

            enemyGroup.Add(e2);

            enemyGroup.Add(elite);

            return enemyGroup;

        }

    }

 

    [Serializable]

    class Location

    {

        public int x;

        public int y;

 

        public Location(int x, int y)

        {

            this.x = x;

            this.y = y;

        }

    }

 

    [Serializable]

    abstract class Enemy

    {

        protected Location location;

 

        public Location Location

        {

            get { return location; }

            set { location = value; }

        }

 

        protected int power;

 

        public int Power

        {

            get { return power; }

            set { power = value; }

        }

 

        protected int speed;

 

        public int Speed

        {

            get { return speed; }

            set { speed = value; }

        }

 

        public abstract Enemy Clone(bool isDeepCopy);

        public abstract void ShowInfo();

 

        public Enemy(int power, int speed, Location location)

        {

            Thread.Sleep(1000); // Construct method is assumed to be a high calc work.

            this.power = power;

            this.speed = speed;

            this.location = location;

        }

    }

 

    [Serializable]

    class FootMan : Enemy

    {

        private string model;

 

        public FootMan(int power, int speed, Location location)

            : base(power, speed, location)

        {

            model = "footman";

        }

 

        public override void ShowInfo()

        {

            Console.WriteLine("model:{0} power:{1} speed:{2} location:({3},{4})", model, power, speed, location.x, location.y);

        }

 

        public override Enemy Clone(bool isDeepCopy)

        {

            FootMan footman;

            if (isDeepCopy)

            {

                MemoryStream memoryStream = new MemoryStream();

                BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();

                formatter.Serialize(memoryStream, this);

                memoryStream.Position = 0;

                footman = (FootMan)formatter.Deserialize(memoryStream);

            }

            else

                footman = (FootMan)this.MemberwiseClone();

            return footman;

        }

 

        public void FootmanAttack()

        {

            Console.WriteLine("FootmanAttack");

        }

    }

}

 

代码执行结果如下图：

 

 

代码说明

 

l         Enemy类是抽象原型，它有两个用途，一是定义了原型的一些抽象内容，二是定义了原型模式必须的拷贝方法。在这里，我们看到，每个敌人的属性有位置、攻击力、速度等，并且能通过ShowInfo()方法来获取这个人的信息。

l         FootMan类就是具体原型了，它显示了敌人的具体参数以及实现了克隆自身。

l         GameScene类就是调用方，在这里我们并没有看到有和具体原因进行依赖，通过复制传入的克隆原型，得到一些新的敌人，在原型的基础上稍微调整一下就变成了一支敌人部队。

l         原型模式通过对原型进行克隆来替代无数子类，因此也就减少了调用方和具体类型产生依赖的程序。

l         Clone()方法接受一个参数，表示是否是深拷贝。在这里，我们通过序列化反序列化实现深拷贝，深拷贝实现对象的完整复制，包括对象内部的引用类型都会复制一份全新的。在这里，如果3个敌人对象的Location都指向内存同一个地址的话，那么它们就分不开了，因此，在复制的时候需要进行深拷贝，使得它们的Location是独立的。

l         在初始化Enemy的时候，我们Sleep()了一下，目的是模拟对象的创建是一个非常耗时的工作，这也体现了原型模式的另一个优势，在生成敌人的时候，我们其实无需再做这些工作了，我们只需要得到它的完整数据，并且进行一些修改就是一个新的敌人。

l         运行程序后可以看到，虽然创建了三个敌人，但是只耗费了一个敌人的创建时间，三个敌人都是从原型克隆出来的。由于进行了深拷贝，修改了一个敌人的位置并不会影响其它敌人。

 

何时采用

 

l         从代码角度来说， 如果你希望运行时指定具体类（比如是使用Footman作为敌人还是使用其它），或者你希望避免创建对象时的初始化过程（如果这个过程占用的时间和资源都非常多），或者是希望避免使用工厂方法来实现多态的时候，可以考虑原型模式。

l         从应用角度来说， 如果你创建的对象是多变化、多等级的产品，或者产品的创建过程非常耗时的时候（比如，有一定的计算量，或者对象创建时需要从网络或数据库中获取一定的数据），或者想把产品的创建独立出去，不想了解产品创建细节的时候可以考虑使用。不得不说，原型模式给了我们多一种创建对象，并且不依赖具体对象的选择。

 

实现要点

 

l         .NET中使用Object的MemberwiseClone()方法来实现浅拷贝，通过序列化和反序列化实现深拷贝，后者代价比较大，选择何时的拷贝方式。

l         原型模式同样需要抽象类型和具体类型，通过相对稳定的抽象类型来减少或避免客户端的修改可能性。

l         在代码中，我们把敌人作为了抽象类型，抽象层次很高。完全可以把步兵作为抽象类型，下面有普通步兵，手榴弹步兵等等，再有一个坦克作为抽象类型，下面还有普通坦克和防导弹坦克。这样GameScene可能就需要从两种抽象类型克隆出许多步兵和坦克。不管怎么样抽象，只要是对象类型由原型实例所指定，新对象通过原型实例做拷贝，那么这就是原型模式。

 

注意事项

 

l         注意选择深拷贝和浅拷贝。

l         拷贝原型并进行修改意味着原型需要公开更多的数据，对已有系统实现原型模式可能修改的代价比较大。