设计模式 9 (转)

 吕震宇

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  一、 原型（Prototype）模式

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。

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参考文献：
阎宏，《Java与模式》，电子工业出版社
[美]James W. Cooper，《C#设计模式》，电子工业出版社
[美]Alan Shalloway  James R. Trott，《Design Patterns Explained》，中国电力出版社
[美]Robert C. Martin，《敏捷软件开发－原则、模式与实践》，清华大学出版社
[美]Don Box, Chris Sells，《.NET本质论 第1卷：公共语言运行库》，中国电力出版社

http://www.dofactory.com/Patterns/Patterns.aspx