【第五节】C++设计模式(创建型模式)-Prototype(原型)模式

一、问题背景

二、模式选择

三、讨论总结

一、问题背景

在软件开发中，有时我们需要通过已有对象来创建新对象，而不是从头开始构建。这种需求让我想起了现代制造业中的 3D 打印技术。通过扫描一个现有的物体，3D 打印机可以快速复制出多个完全相同的副本，而无需重新设计和建模。这种“复制已有对象”的能力在编程中也有对应的设计模式，那就是 Prototype 模式。

C++中通过拷贝构造函数实现对象复制，但这一机制存在两个关键挑战：

浅拷贝陷阱：默认拷贝构造的按位复制可能引发指针悬挂问题

多态复制难题：基类指针无法直接调用派生类的拷贝构造函数

这些问题既是面试常见考点，也是系统稳定性的潜在威胁。原型模式通过标准化的复制接口，为这些问题提供了系统化的解决方案。

二、模式选择

Prototype 模式的结构非常简单，其核心是一个 `Clone` 接口，用于复制对象。在 C++ 中，`Clone` 方法通常通过拷贝构造函数来实现。以下是 Prototype 模式的典型结构图：

原型模式的核心是Clone抽象接口，其标准实现包含三个关键组件：

Prototype：定义克隆接口的抽象基类

ConcretePrototype：实现具体克隆操作的可复制对象

Client：通过原型对象创建新实例的使用者

实现
为了帮助初学者更好地理解 Prototype 模式，下面将提供一个完整的 C++ 实现示例。代码分为三个部分：`Prototype.h`、`Prototype.cpp` 和 `main.cpp`。

代码片段 1：Prototype.h

// Prototype.h
#ifndef _PROTOTYPE_H_
#define _PROTOTYPE_H_

// 抽象基类 Prototype
class Prototype {
public:
    virtual ~Prototype() = default; // 虚析构函数，确保派生类对象正确释放资源
    virtual Prototype* Clone() const = 0; // 纯虚函数，用于复制对象
protected:
    Prototype() = default; // 保护构造函数，防止直接实例化
};

// 具体实现类 ConcretePrototype
class ConcretePrototype : public Prototype {
public:
    ConcretePrototype() = default; // 默认构造函数
    ConcretePrototype(const ConcretePrototype& cp); // 拷贝构造函数
    ~ConcretePrototype() override = default; // 析构函数
    Prototype* Clone() const override; // 实现 Clone 方法
};

#endif // ~_PROTOTYPE_H_

代码片段 2：Prototype.cpp

// Prototype.cpp
#include "Prototype.h"
#include <iostream>
using namespace std;

// Prototype 类的实现
Prototype::Prototype() {
    // 基类构造函数，用于初始化基类成员（如果有）
}

Prototype::~Prototype() {
    // 基类析构函数，用于释放基类资源（如果有）
}

Prototype* Prototype::Clone() const {
    return nullptr; // 基类中返回空指针，表示不支持直接复制
}

// ConcretePrototype 类的实现
ConcretePrototype::ConcretePrototype() {
    // 默认构造函数，用于初始化具体类成员（如果有）
}

ConcretePrototype::~ConcretePrototype() {
    // 析构函数，用于释放具体类资源（如果有）
}

// 拷贝构造函数
ConcretePrototype::ConcretePrototype(const ConcretePrototype& cp) {
    cout << "ConcretePrototype copy ..." << endl; // 打印拷贝构造信息
    // 如果需要深拷贝，可以在这里实现
}

// 实现 Clone 方法
Prototype* ConcretePrototype::Clone() const {
    return new ConcretePrototype(*this); // 调用拷贝构造函数，返回新对象
}

代码片段 3：main.cpp

// main.cpp
#include "Prototype.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 创建原型对象
    Prototype* p = new ConcretePrototype();

    // 复制对象
    Prototype* p1 = p->Clone();

    // 释放资源
    delete p;
    delete p1;

    return 0;
}

代码说明

实现要点

深拷贝控制：在拷贝构造函数中实现资源复制逻辑

多态支持：基类声明虚析构函数确保正确释放资源

接口隔离：保护构造函数强制使用克隆方式创建对象

Prototype 模式的结构和实现都非常简单，其核心在于 `Clone` 方法的实现。在 C++ 中，`Clone` 方法通常通过拷贝构造函数来完成对象的复制。为了简化示例，这里没有涉及深拷贝（即对象中包含指针或复合对象的情况），而是直接使用了编译器提供的默认拷贝构造函数（按位拷贝）。

需要注意的是，这种实现方式仅适用于简单场景。如果对象中包含动态分配的资源（如指针），则需要手动实现深拷贝，以避免潜在的内存问题。

三、讨论总结

Prototype 模式通过复制原型对象来创建新对象，这种方式特别适用于以下场景：
（1）当对象的创建过程比较复杂，且需要频繁创建相似对象时。
（2）当需要避免重复初始化对象的开销时。

        与其他创建型模式（如 Builder 模式和 AbstractFactory 模式）相比，Prototype 模式的独特之处在于：
        Builder 模式：侧重于逐步构建复杂对象，而不是直接返回对象。
        AbstractFactory 模式：用于创建一系列相互依赖的对象。
        Prototype 模式：通过复制自身来创建新对象。

Prototype 模式的核心思想是将对象创建的责任交给对象本身，而不是外部工厂。这种设计不仅提高了代码的灵活性，还减少了重复代码的编写。

Prototype 模式是一种简单而强大的设计模式，它通过复制现有对象来创建新对象，避免了重复初始化的开销。在 C++ 中，拷贝构造函数是实现 Prototype 模式的关键，但需要注意浅拷贝和深拷贝的问题。通过合理使用 Prototype 模式，可以显著提高代码的复用性和可维护性。

由此原型模式通过标准化对象复制接口，有效解决了以下问题：

构造开销：避免重复初始化操作

多态复制：支持通过基类接口复制派生类对象

状态克隆：完整复制对象的瞬时状态

在C++实现中需特别注意：

严格实现深拷贝防止内存问题

通过虚析构函数保证多态正确性

考虑使用智能指针管理克隆对象生命周期

该模式在游戏开发（角色克隆）、文档编辑（版本快照）等领域有广泛应用，是构建高效对象创建系统的利器。