C++创建型模式之原型模式

C++ 原型模式（Prototype Pattern）

1. 解决的问题

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，用于解决对象创建的问题，特别是在需要创建多个相似对象时，避免使用重复的构造代码。原型模式通过复制已有对象（原型）来创建新对象，而不是通过实例化一个类来创建。

2. 适用场景

当系统需要创建多个相似对象，并且这些对象之间的差异只是部分属性值不同。
当对象的创建过程比较复杂，并且通过复制现有对象可以简化创建过程。
当需要避免使用子类的创建方式来生成对象时。

3. 模式的参与者角色

Prototype（抽象原型）：声明一个克隆自身的接口。
ConcretePrototype（具体原型）：实现克隆自身的操作。
Client（客户端）：使用原型对象来克隆新的对象。

4. 示例代码

假设我们正在开发一个复杂的角色扮演游戏（RPG），游戏中有各种不同的角色，这些角色可以是玩家角色（Player）或敌人角色（Enemy）。每个角色都有不同的属性和能力，例如生命值、攻击力、防御力等。为了简化角色的创建过程，我们可以使用原型设计模式来复制现有的角色，并根据需要进行微调。

角色类图

+----------------+
|   Prototype    |
|----------------|
| + clone()      |
| + print()      |
+----------------+^|
+----------------+
|    Player      |
|----------------|
| + clone()      |
| + print()      |
+----------------+^|
+----------------+
|    Enemy       |
|----------------|
| + clone()      |
| + print()      |
+----------------+

代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>// Prototype 接口
class Prototype {
public:virtual ~Prototype() {}virtual std::unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;virtual void print() const = 0;virtual void setHealth(int health) = 0;virtual void setAttack(int attack) = 0;virtual void setDefense(int defense) = 0;
};// BaseCharacter 抽象类
class BaseCharacter : public Prototype {
public:BaseCharacter(std::string name, int health, int attack, int defense): name_(name), health_(health), attack_(attack), defense_(defense) {}void setHealth(int health) override { health_ = health; }void setAttack(int attack) override { attack_ = attack; }void setDefense(int defense) override { defense_ = defense; }void print() const override {std::cout << "Name: " << name_ << ", Health: " << health_<< ", Attack: " << attack_ << ", Defense: " << defense_ << std::endl;}protected:std::string name_;int health_;int attack_;int defense_;
};// Player 具体原型
class Player : public BaseCharacter {
public:Player(std::string name, int health, int attack, int defense): BaseCharacter(name, health, attack, defense) {}std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {return std::make_unique<Player>(*this);}
};// Enemy 具体原型
class Enemy : public BaseCharacter {
public:Enemy(std::string name, int health, int attack, int defense): BaseCharacter(name, health, attack, defense) {}std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {return std::make_unique<Enemy>(*this);}
};// 客户端代码
int main() {// 创建原型对象auto playerPrototype = std::make_unique<Player>("Hero", 100, 20, 15);auto enemyPrototype = std::make_unique<Enemy>("Goblin", 50, 10, 5);// 创建角色列表std::vector<std::unique_ptr<Prototype>> characters;// 克隆玩家角色auto player1 = playerPrototype->clone();player1->setHealth(80); // 微调生命值characters.push_back(std::move(player1));auto player2 = playerPrototype->clone();player2->setHealth(90); // 微调生命值player2->setAttack(25); // 微调攻击力characters.push_back(std::move(player2));// 克隆敌人角色auto enemy1 = enemyPrototype->clone();characters.push_back(std::move(enemy1));auto enemy2 = enemyPrototype->clone();enemy2->setHealth(60); // 微调生命值enemy2->setAttack(15); // 微调攻击力characters.push_back(std::move(enemy2));// 打印所有角色信息for (const auto& character : characters) {character->print();}return 0;
}

代码说明

Prototype 接口定义了克隆和打印方法，以及设置角色属性的方法。
BaseCharacter 是一个抽象类，实现了 Prototype 接口的通用部分，包括角色属性的设置和打印方法。
Player 和 Enemy 是具体原型类，继承自 BaseCharacter，并实现了 clone 方法。
Client 在 main 函数中创建了原型对象，并通过克隆这些原型对象来创建新的角色。客户端可以根据需要微调角色的属性。

总结

通过原型设计模式，我们可以轻松地复制现有角色，避免了重复的构造代码，并且可以根据需要对克隆的角色进行微调。这种模式在复杂的游戏场景中非常有用，特别是在需要创建多个相似角色时。

原型模式与 C++ 拷贝构造函数的相似性与不同点

相似性

对象复制：
- 原型模式：原型模式的核心思想是通过复制已有对象来创建新对象。
- 拷贝构造函数：拷贝构造函数用于从已有对象创建一个新对象。
避免重复构造：
- 原型模式：避免了重复的构造代码，通过复制已有对象来创建新对象。
- 拷贝构造函数：避免了重复的构造代码，通过复制已有对象来创建新对象。
对象状态的复用：
- 原型模式：可以复用已有对象的状态来创建新对象。
- 拷贝构造函数：可以复用已有对象的状态来创建新对象。

不同点

设计模式 vs. 语言特性：
- 原型模式：是一种设计模式，属于面向对象编程的设计原则之一。
- 拷贝构造函数：是 C++ 语言的一个特性，用于实现对象的复制。
接口定义：
- 原型模式：通常定义一个 clone() 方法，用于克隆对象。
- 拷贝构造函数：是类的构造函数，定义为 ClassName(const ClassName& other)，用于从已有对象创建新对象。
实现方式：
- 原型模式：可以由程序员显式实现 clone() 方法，并在方法内部调用拷贝构造函数或赋值操作符。
- 拷贝构造函数：由编译器自动生成或由程序员显式实现。
灵活性：
- 原型模式：提供了更灵活的对象复制机制，可以在运行时选择不同的原型进行复制。
- 拷贝构造函数：是类的固有特性，无法在运行时选择不同的构造方式。
使用场景：
- 原型模式：适用于需要创建多个相似对象，并且这些对象之间的差异只是部分属性值不同。
- 拷贝构造函数：适用于任何需要从已有对象创建新对象的场景。

示例代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>// 使用原型模式的类
class Prototype {
public:virtual ~Prototype() {}virtual std::unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;virtual void print() const = 0;
};class ConcretePrototype : public Prototype {
public:ConcretePrototype(std::string name) : name_(name) {}std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {return std::make_unique<ConcretePrototype>(*this);}void print() const override {std::cout << "ConcretePrototype: " << name_ << std::endl;}private:std::string name_;
};// 使用拷贝构造函数的类
class CopyConstructorExample {
public:CopyConstructorExample(std::string name) : name_(name) {}CopyConstructorExample(const CopyConstructorExample& other) : name_(other.name_) {std::cout << "Copy Constructor Called" << std::endl;}void print() const {std::cout << "CopyConstructorExample: " << name_ << std::endl;}private:std::string name_;
};int main() {// 原型模式示例auto prototype1 = std::make_unique<ConcretePrototype>("Prototype1");auto clone1 = prototype1->clone();clone1->print();// 拷贝构造函数示例CopyConstructorExample example1("Example1");CopyConstructorExample example2 = example1;example2.print();return 0;
}

总结

相似性：原型模式和拷贝构造函数都用于对象的复制，避免了重复的构造代码。
不同点：原型模式是一种设计模式，通过 clone() 方法实现对象复制；拷贝构造函数是 C++ 语言特性，通过 ClassName(const ClassName& other) 实现对象复制。原型模式提供了更灵活的对象复制机制。