——.NET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。
更多文章、技術(shù)交流、商務(wù)合作、聯(lián)系博主
微信掃碼或搜索：z360901061
微信掃一掃加我為好友
QQ號(hào)聯(lián)系： 360901061
您的支持是博主寫作最大的動(dòng)力，如果您喜歡我的文章，感覺我的文章對(duì)您有幫助，請(qǐng)用微信掃描下面二維碼支持博主2元、5元、10元、20元等您想捐的金額吧，狠狠點(diǎn)擊下面給點(diǎn)支持吧，站長(zhǎng)非常感激您！手機(jī)微信長(zhǎng)按不能支付解決辦法：請(qǐng)將微信支付二維碼保存到相冊(cè)，切換到微信，然后點(diǎn)擊微信右上角掃一掃功能，選擇支付二維碼完成支付。
【本文對(duì)您有幫助就好】元
