C#设计模式（9）－Prototype Pattern
一、 原型（Prototype）模式
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。
从孙大圣的手段谈起
孙悟空在与黄风怪的战斗中，"使一个身外身的手段：把毫毛揪下一把，用口嚼得粉碎，望上一喷，叫声'变'，变有百十个行者，都是一样得打扮，各执一根铁棒，把那怪围在空中。"换而言之，孙悟空可以根据自己的形象，复制出很多"身外身"来。
老孙这种身外身的手段在面向对象设计领域里叫原型（Prototype）模式。
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。
二、 Prototype模式的结构：
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。
三、 程序举例：
下面的程序给出了一个示意性的实现：
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。
四、 带Prototype Manager的原型模式
原型模式的第二种形式是带原型管理器的原型模式，其UML图如下：
客户（Client）角色：客户端类向原型管理器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的原型角色所要求的接口。
原型管理器（Prototype Manager）角色：创建具体原型类的对象，并记录每一个被创建的对象。
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。
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：
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：
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。
六、 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。
从孙大圣的手段谈起
孙悟空在与黄风怪的战斗中，"使一个身外身的手段：把毫毛揪下一把，用口嚼得粉碎，望上一喷，叫声'变'，变有百十个行者，都是一样得打扮，各执一根铁棒，把那怪围在空中。"换而言之，孙悟空可以根据自己的形象，复制出很多"身外身"来。
老孙这种身外身的手段在面向对象设计领域里叫原型（Prototype）模式。
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。
二、 Prototype模式的结构：
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。
三、 程序举例：
下面的程序给出了一个示意性的实现：
+展开
-C#
// 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 );
}
}
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。
四、 带Prototype Manager的原型模式
原型模式的第二种形式是带原型管理器的原型模式，其UML图如下：
客户（Client）角色：客户端类向原型管理器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的原型角色所要求的接口。
原型管理器（Prototype Manager）角色：创建具体原型类的对象，并记录每一个被创建的对象。
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。
+展开
-C#
// 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();
}
}
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：
+展开
-C#
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();
}
}
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：
+展开
-C#
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();
}
}
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。
六、 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。
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