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设计模式 | 原型模式

news 2025/6/27 7:13:15

原型模式通过克隆机制实现对象高效创建，是性能敏感场景的利器。本文结合C++示例详解实现原理、深拷贝陷阱、应用场景，并与工厂模式对比分析。

为何需要原型模式？

当遇到以下场景时，传统构造方法面临挑战：

创建成本高：对象初始化需访问数据库/读取文件（如游戏角色加载资源）
状态复杂：对象包含多层嵌套结构（如DOM树节点）
动态配置：运行时需基于现有对象微调生成新对象

原型模式优势：

避开重复初始化开销
免去工厂类继承体系
支持运行时动态对象生成

原型模式核心概念

用原型实例指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象

C++ 深度实现（解决浅拷贝陷阱）

基础实现

#include <iostream>
#include <memory>// 抽象原型
class IPrototype {
public:virtual ~IPrototype() = default;virtual std::unique_ptr<IPrototype> clone() const = 0;virtual void render() const = 0;
};// 具体原型：游戏敌人角色
class Enemy : public IPrototype {
public:Enemy(int hp, int dmg, std::string model) : hp_(hp), damage_(dmg), model_(std::move(model)) {// 模拟高成本资源加载std::cout << "Loading 3D model: " << model_ << "...\n";}std::unique_ptr<IPrototype> clone() const override {return std::make_unique<Enemy>(*this); // 调用拷贝构造}void render() const override {std::cout << "Enemy[HP:" << hp_ << " DMG:" << damage_<< " MODEL:" << model_ << "]\n";}void setHP(int hp) { hp_ = hp; }private:int hp_;int damage_;std::string model_;  // 字符串自动深拷贝
};

含指针成员的深拷贝解决方案

class Weapon {
public:Weapon(std::string name, int dmg) : name_(std::move(name)), base_dmg_(dmg) {}std::unique_ptr<Weapon> clone() const {return std::make_unique<Weapon>(*this);}
private:std::string name_;int base_dmg_;
};class ArmedEnemy : public IPrototype {
public:ArmedEnemy(int hp, std::unique_ptr<Weapon> weapon): hp_(hp), weapon_(std::move(weapon)) {}// 深拷贝关键：递归克隆指针成员std::unique_ptr<IPrototype> clone() const override {auto new_weapon = weapon_->clone();return std::make_unique<ArmedEnemy>(hp_, std::move(new_weapon));}private:int hp_;std::unique_ptr<Weapon> weapon_;  // 需特殊处理
};

具体使用示例

int main() {// 1. 初始化原型对象（高成本操作）auto skeleton_prototype = std::make_unique<Enemy>(100, 15, "skeleton.fbx");// 2. 批量生成敌人（零初始化成本）std::vector<std::unique_ptr<IPrototype>> enemies;for (int i = 0; i < 5; ++i) {auto new_enemy = skeleton_prototype->clone();dynamic_cast<Enemy*>(new_enemy.get())->setHP(80); // 差异化调整enemies.push_back(std::move(new_enemy));}// 3. 验证独立状态enemies[0]->render(); // HP:80skeleton_prototype->render(); // HP:100 (原型不受影响)return 0;
}

应用场景与典型案例

场景	案例	原型模式作用
游戏开发	批量生成同类型敌人/NPC	避免重复加载3D模型/纹理
文档编辑	复制复杂图表对象	保持格式和数据的完整性
机器学习	创建相似配置的模型实例	快速实验不同超参数
撤销/重做	保存对象历史状态	通过克隆实现状态快照

优缺点对比分析

优势：

性能提升：规避昂贵初始化操作
动态性：运行时增减产品对象
简化结构：无需工厂类继承体系

陷阱：

深拷贝问题：指针成员需递归克隆
循环引用：复杂对象图可能导致拷贝死循环
初始化限制：克隆无法执行构造函数逻辑

与其他创建型模式对比

模式	特点	适用场景
原型模式	通过克隆现有对象创建	对象创建成本高或状态复杂
工厂方法	子类决定实例化对象	类层次结构稳定
抽象工厂	创建相关对象家族	需要保证产品兼容性
建造者	分步构造复杂对象	对象包含多个创建步骤

选择原则：当系统需要动态生成对象或避免初始化开销时，优先选择原型模式

最佳实践

实现Clone接口：明确标识可克隆对象
深拷贝防御：对指针/引用类型实现递归克隆

原型管理器：使用注册表管理常用原型

class PrototypeRegistry {std::unordered_map<std::string, std::unique_ptr<IPrototype>> prototypes_;
public:void add(const std::string& key, std::unique_ptr<IPrototype> proto) {prototypes_[key] = std::move(proto);}std::unique_ptr<IPrototype> clone(const std::string& key) {return prototypes_.at(key)->clone();}
};