Prototype 原型（创建型模式）

  下面是李建忠老师WebCast中课件内容 还有小山老师Blog中的相应内容：

原型（Prototype）模式

依赖关系的倒置
– 抽象A直接依赖于实现细节b抽象不应该依赖于实现细节，实现细节应该依赖于抽象。
–抽象A依赖于抽象B，实现细节b依赖于抽象B

动机（Motivation）
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（Intent）
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（Structure）

 


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。

Prototype模式的几个要点
• 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”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。

有关创建性模式的讨论
• Singleton模式解决的是实体对象个数的问题。除了Singleton之外，其他创建型模式解决的都是new所带来的耦合关系。
• Factory Method, Abstract Factory, Builder都需要一个额外的工厂类来负责实例化“易变对象”，而Prototype则是通过原型（一个特殊的工厂类）来克隆“易变对象”。
• 如果遇到“易变类”，起初的设计通常从FactoryMethod开始，当遇到更多的复杂变化时，再考虑重构为其他三种工厂模式（ Abstract Factory,Builder ， Prototype ）。

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。

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。

 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。

 

 

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。

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。