原型模式（Prototype Pattern）

——探索設(shè)計(jì)模式系列之六

Terrylee，2006年1月

概述

在軟件系統(tǒng)中，有時(shí)候面臨的產(chǎn)品類是動(dòng)態(tài)變化的，而且這個(gè)產(chǎn)品類具有一定的等級(jí)結(jié)構(gòu)。這時(shí)如果用工廠模式，則與產(chǎn)品類等級(jí)結(jié)構(gòu)平行的工廠方法類也要隨著這種變化而變化，顯然不大合適。那么如何封裝這種動(dòng)態(tài)的變化？從而使依賴于這些易變對(duì)象的客戶程序不隨著產(chǎn)品類變化？

意圖

用原型實(shí)例指定創(chuàng)建對(duì)象的種類，并且通過(guò)拷貝這些原型創(chuàng)建新的對(duì)象。

結(jié)構(gòu)圖

Prototype模式結(jié)構(gòu)圖

生活中的例子

Prototype模式使用原型實(shí)例指定創(chuàng)建對(duì)象的種類。新產(chǎn)品的原型通常是先于全部產(chǎn)品建立的，這樣的原型是被動(dòng)的，并不參與復(fù)制它自己。一個(gè)細(xì)胞的有絲分裂，產(chǎn)生兩個(gè)同樣的細(xì)胞，是一個(gè)扮演主動(dòng)角色復(fù)制自己原型的例子，這演示了原型模式。一個(gè)細(xì)胞分裂，產(chǎn)生兩個(gè)同樣基因型的細(xì)胞。換句話說(shuō)，細(xì)胞克隆了自己。

使用細(xì)胞分裂例子的Prototype模式對(duì)象圖

原型模式解說(shuō)

我們考慮這樣一個(gè)場(chǎng)景，假定我們要開(kāi)發(fā)一個(gè)調(diào)色板，用戶單擊調(diào)色板上任一個(gè)方塊，將會(huì)返回一個(gè)對(duì)應(yīng)的顏色的實(shí)例，下面我們看看如何通過(guò)原型模式來(lái)達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載具體產(chǎn)品的目的。

很自然，我們利用OO的思想，把每一種顏色作為一個(gè)對(duì)象，并為他們抽象出一個(gè)公用的父類，如下圖：

實(shí)現(xiàn)代碼：

public abstract class Color

{

        public abstract void Display();

}

public class RedColor:Color

{

    public override void Display()

    {

        Console.WriteLine("Red‘s RGB Values are:255,0,0");

    }

}

public class GreenColor:Color

{

    public override void Display()

    {

        Console.WriteLine("Green‘s RGB Values are:0,255,0");

    }

}

客戶程序需要某一種顏色的時(shí)候，只需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)應(yīng)的具體類的實(shí)例就可以了。但是這樣我們并沒(méi)有達(dá)到封裝變化點(diǎn)的目的，也許你會(huì)說(shuō)，可以使用工廠方法模式，為每一個(gè)具體子類定義一個(gè)與其等級(jí)平行的工廠類，那么好，看一下實(shí)現(xiàn)：

實(shí)現(xiàn)代碼：

public abstract class ColorFactory

{

    public abstract Color Create();

}

public class RedFactory:ColorFactory

{

    public override Color Create()

    {

        return new RedColor();

    }

}

public class GreenFactory:ColorFactory

{

    public override Color Create()

    {

        return new GreenColor();

    }

}

實(shí)現(xiàn)了這一步之后，可以看到，客戶程序只要調(diào)用工廠方法就可以了。似乎我們用工廠方法模式來(lái)解決是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，我們考慮的僅僅是封裝了new變化，而沒(méi)有考慮顏色的數(shù)量是不斷變化的，甚至可能是在程序運(yùn)行的過(guò)程中動(dòng)態(tài)增加和減少的，那么用這種方法實(shí)現(xiàn)，隨著顏色數(shù)量的不斷增加，子類的數(shù)量會(huì)迅速膨大，導(dǎo)致子類過(guò)多，顯然用工廠方法模式有些不大合適。

進(jìn)一步思考，這些Color子類僅僅在初始化的顏色對(duì)象類別上有所不同。添加一個(gè)ColorTool這樣的類，來(lái)參數(shù)化的它的實(shí)例，而這些實(shí)例是由Color支持和創(chuàng)建的。我們讓ColorTool通過(guò)克隆或者拷貝一個(gè)Color子類的實(shí)例來(lái)創(chuàng)建新的Color，這個(gè)實(shí)例就是一個(gè)原型。如下圖所示：

實(shí)現(xiàn)代碼：

abstract class ColorPrototype

{

    public abstract ColorPrototype Clone();

}

class ConcteteColorPrototype : ColorPrototype

{

    private int _red, _green, _blue;

    public ConcteteColorPrototype(int red, int green, int blue)

    {

        this._red = red;

        this._green = green;

        this._blue = blue;

    }

     public override ColorPrototype Clone()

    {

        //實(shí)現(xiàn)淺拷貝

        return (ColorPrototype) this.MemberwiseClone();

    }

    public void Display(string _colorname)

    {

        Console.WriteLine("{0}‘s RGB Values are: {1},{2},{3}",

            _colorname,_red, _green, _blue );

    }

}

class ColorManager

{ 

    Hashtable colors = new Hashtable();

    public ColorPrototype this[string name]

    {

        get

        {

            return (ColorPrototype)colors[name];

        }

        set

        {

            colors.Add(name,value);

        }

    }

}

現(xiàn)在我們分析一下，這樣帶來(lái)了什么好處？首先從子類的數(shù)目上大大減少了，不需要再為每一種具體的顏色產(chǎn)品而定一個(gè)類和與它等級(jí)平行的工廠方法類，而ColorTool則扮演了原型管理器的角色。再看一下為客戶程序的實(shí)現(xiàn)：

class App

{

    public static void Main(string[] args)

    {

        ColorManager colormanager = new ColorManager();

        //初始化顏色

        colormanager["red"] = new ConcteteColorPrototype(255, 0, 0);

        colormanager["green"] = new ConcteteColorPrototype(0, 255, 0);

        colormanager["blue"] = new ConcteteColorPrototype(0, 0, 255);

        colormanager["angry"] = new ConcteteColorPrototype(255, 54, 0);

        colormanager["peace"] = new ConcteteColorPrototype(128, 211, 128);

        colormanager["flame"] = new ConcteteColorPrototype(211, 34, 20);

        //使用顏色

        string colorName = "red";

        ConcteteColorPrototype c1 = (ConcteteColorPrototype)colormanager[colorName].Clone();

        c1.Display(colorName);

        colorName = "peace";

        ConcteteColorPrototype c2 = (ConcteteColorPrototype)colormanager[colorName].Clone();

        c2.Display(colorName);

        colorName = "flame";

        ConcteteColorPrototype c3 = (ConcteteColorPrototype)colormanager[colorName].Clone();

        c3.Display(colorName);

        Console.ReadLine();

    }

}

可以看到，客戶程序通過(guò)注冊(cè)原型實(shí)例就可以將一個(gè)具體產(chǎn)品類并入到系統(tǒng)中，在運(yùn)行時(shí)刻，可以動(dòng)態(tài)的建立和刪除原型。最后還要注意一點(diǎn)，在上面的例子中，用的是淺表復(fù)制。如果想做深復(fù)制，需要通過(guò)序列化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)了上面的分析之后，我們?cè)賮?lái)思考下面的問(wèn)題：

1．為什么需要Prototype模式？

引入原型模式的本質(zhì)在于利用已有的一個(gè)原型對(duì)象，快速的生成和原型對(duì)象一樣的實(shí)例。你有一個(gè)A的實(shí)例a:A a = new A();現(xiàn)在你想生成和car1一樣的一個(gè)實(shí)例b，按照原型模式，應(yīng)該是這樣：A b = a.Clone();而不是重新再new一個(gè)A對(duì)象。通過(guò)上面這句話就可以得到一個(gè)和a一樣的實(shí)例，確切的說(shuō)，應(yīng)該是它們的數(shù)據(jù)成員是一樣的。Prototype模式同樣是返回了一個(gè)A對(duì)象而沒(méi)有使用new操作。

2．引入Prototype模式帶來(lái)了什么好處？

可以看到，引入Prototype模式后我們不再需要一個(gè)與具體產(chǎn)品等級(jí)結(jié)構(gòu)平行的工廠方法類，減少了類的構(gòu)造，同時(shí)客戶程序可以在運(yùn)行時(shí)刻建立和刪除原型。

3．Prototype模式滿足了哪些面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則？

依賴倒置原則：上面的例子，原型管理器（ColorManager）僅僅依賴于抽象部分（ColorPrototype），而具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)（ConcteteColorPrototype）則依賴與抽象部分（ColorPrototype），所以Prototype很好的滿足了依賴倒置原則。

通過(guò)序列化實(shí)現(xiàn)深拷貝

要實(shí)現(xiàn)深拷貝，可以通過(guò)序列化的方式。抽象類及具體類都必須標(biāo)注為可序列化的[Serializable]，上面的例子加上深拷貝之后的完整程序如下：

using System;

using System.Collections;

using System.IO;

using System.Runtime.Serialization;

using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;

[Serializable]

abstract class ColorPrototype

{

    public abstract ColorPrototype Clone(bool Deep);

}

[Serializable]

class ConcteteColorPrototype : ColorPrototype

{

    private int _red, _green, _blue;

    public ConcteteColorPrototype(int red, int green, int blue)

    {

        this._red = red;

        this._green = green;

        this._blue = blue;

    }

     public override ColorPrototype Clone(bool Deep)

    {

        if(Deep)

            return CreateDeepCopy();

        else

            return (ColorPrototype) this.MemberwiseClone();

    }

    //實(shí)現(xiàn)深拷貝

    public ColorPrototype CreateDeepCopy()

    {

        ColorPrototype colorPrototype;

        MemoryStream memoryStream = new MemoryStream();

        BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();

        formatter.Serialize(memoryStream, this);

        memoryStream.Position = 0;

        colorPrototype = (ColorPrototype)formatter.Deserialize(memoryStream);

        return colorPrototype;

    }

    public ConcteteColorPrototype Create(int red,int green,int blue)

    {

        return new ConcteteColorPrototype(red,green,blue); 

    }

    public void Display(string _colorname)

    {

        Console.WriteLine("{0}‘s RGB Values are: {1},{2},{3}",

            _colorname,_red, _green, _blue );

    }

}

class ColorManager

{ 

    Hashtable colors = new Hashtable();

     public ColorPrototype this[string name]

    {

        get

        {

            return (ColorPrototype)colors[name];

        }

        set

        {

            colors.Add(name,value);

        }

    }

}

class App

{

    public static void Main(string[] args)

    {

        ColorManager colormanager = new ColorManager();

        //初始化顏色

        colormanager["red"] = new ConcteteColorPrototype(255, 0, 0);

        colormanager["green"] = new ConcteteColorPrototype(0, 255, 0);

        colormanager["blue"] = new ConcteteColorPrototype(0, 0, 255);

        colormanager["angry"] = new ConcteteColorPrototype(255, 54, 0);

        colormanager["peace"] = new ConcteteColorPrototype(128, 211, 128);

        colormanager["flame"] = new ConcteteColorPrototype(211, 34, 20);

        //使用顏色

        string colorName = "red";

        ConcteteColorPrototype c1 = (ConcteteColorPrototype)colormanager[colorName].Clone(false);

        c1.Display(colorName);

        colorName = "peace";

        ConcteteColorPrototype c2 = (ConcteteColorPrototype)colormanager[colorName].Clone(true);

        c2.Display(colorName);

        colorName = "flame";

        ConcteteColorPrototype c3 = (ConcteteColorPrototype)colormanager[colorName].Clone(true);

        c3.Display(colorName);

        Console.ReadLine();

    }

}

實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1．使用原型管理器，體現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)中原型數(shù)目不固定時(shí)，可以動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建和銷毀，如上面的舉的調(diào)色板的例子。

2．實(shí)現(xiàn)克隆操作，在.NET中可以使用Object類的MemberwiseClone()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的淺表拷貝或通過(guò)序列化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)深拷貝。

3．Prototype模式同樣用于隔離類對(duì)象的使用者和具體類型（易變類）之間的耦合關(guān)系，它同樣要求這些“易變類”擁有穩(wěn)定的接口。

效果

1．它對(duì)客戶隱藏了具體的產(chǎn)品類，因此減少了客戶知道的名字的數(shù)目。

2．Prototype模式允許客戶只通過(guò)注冊(cè)原型實(shí)例就可以將一個(gè)具體產(chǎn)品類并入到系統(tǒng)中，客戶可以在運(yùn)行時(shí)刻建立和刪除原型。

3．減少了子類構(gòu)造，Prototype模式是克隆一個(gè)原型而不是請(qǐng)求工廠方法創(chuàng)建一個(gè)，所以它不需要一個(gè)與具體產(chǎn)品類平行的Creater類層次。

4．Portotype模式具有給一個(gè)應(yīng)用軟件動(dòng)態(tài)加載新功能的能力。由于Prototype的獨(dú)立性較高，可以很容易動(dòng)態(tài)加載新功能而不影響老系統(tǒng)。

5．產(chǎn)品類不需要非得有任何事先確定的等級(jí)結(jié)構(gòu)，因?yàn)?/SPAN>Prototype模式適用于任何的等級(jí)結(jié)構(gòu)

6．Prototype模式的最主要缺點(diǎn)就是每一個(gè)類必須配備一個(gè)克隆方法。而且這個(gè)克隆方法需要對(duì)類的功能進(jìn)行通盤考慮，這對(duì)全新的類來(lái)說(shuō)不是很難，但對(duì)已有的類進(jìn)行改造時(shí)，不一定是件容易的事。

適用性

在下列情況下，應(yīng)當(dāng)使用Prototype模式：

1．當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該獨(dú)立于它的產(chǎn)品創(chuàng)建，構(gòu)成和表示時(shí)；

2．當(dāng)要實(shí)例化的類是在運(yùn)行時(shí)刻指定時(shí)，例如，通過(guò)動(dòng)態(tài)裝載；

3．為了避免創(chuàng)建一個(gè)與產(chǎn)品類層次平行的工廠類層次時(shí)；

4．當(dāng)一個(gè)類的實(shí)例只能有幾個(gè)不同狀態(tài)組合中的一種時(shí)。建立相應(yīng)數(shù)目的原型并克隆它們可能比每次用合適的狀態(tài)手工實(shí)例化該類更方便一些。

總結(jié)

Prototype模式同工廠模式，同樣對(duì)客戶隱藏了對(duì)象的創(chuàng)建工作，但是，與通過(guò)對(duì)一個(gè)類進(jìn)行實(shí)例化來(lái)構(gòu)造新對(duì)象不同的是，原型模式是通過(guò)拷貝一個(gè)現(xiàn)有對(duì)象生成新對(duì)象的，達(dá)到了“隔離類對(duì)象的使用者和具體類型（易變類）之間的耦合關(guān)系”的目的。

參考文獻(xiàn)

《設(shè)計(jì)模式》（中文版）

《DesignPatternsExplained》

《Java與模式》（閻宏 著）