【设计模式】原型模式

原型模式

介绍

在许多面向对象的应用程序中，有些对象的创建代价过大或者过于复杂。要是可以重建相同的对象并作轻微的改动，事情就会容易很多。典型的例子就是复制组合结构（比如树型结构）。从零构建一个树型组合体非常困难，我们可以通过轻微改动重用已有的对象，以适应程序中的特定状况。

在使用原型模式时，我们需要首先创建一个原型对象，再通过复制这个原型对象来创建更多同类型的对象。

定义

使用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。原型模式是一种对象创建型模式。

原型模式的工作原理很简单：将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝自己来实现创建过程。由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情

需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。

UML类图

Prototype声明了复制自身的接口，作为prototype的子类，ConcretePrototype实现了自身的clone操作。

角色介绍

• Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
• ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
• Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便。

实现

class ConcretePrototype implements Prototype
{
private String  attr; //成员属性
public void  setAttr(String attr)
{
    this.attr = attr;
}
public String  getAttr()
{
    return this.attr;
}
public Prototype  clone() //克隆方法
{
    Prototype  prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
    prototype.setAttr(this.attr);
    return prototype;
}
}

客户端调用

Prototype obj1  = new ConcretePrototype();
obj1.setAttr("Sunny");
Prototype obj2  = obj1.clone();

克隆

浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有复制。

在Java语言中，通过覆盖Object类的clone()方法可以实现浅克隆。

c中的浅拷贝就是对内存地址的复制，让目标对象指针和源对象指向同一片内存空间。如：

char *str = (char*)malloc(100);
char* str2 = str;

浅拷贝只是对对象的简单拷贝，让几个对象共用同一片内存，当内存销毁时，指向这片内存的几个指针需要重新定义才可以使用，要不然成为野指针。

深克隆

在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制。

在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。

c中的深拷贝是指拷贝对象的内容也重新分配一块地址，两个对象也互不影响、互不干涉。如：

char *str = (char*)malloc(100);
char *str2 = (char*)malloc(100);
memcpy(str2, str, sizeof(char)* 100);

Cocoa中对象的复制

Cocoa为NSObject的派生类提供了实现深复制的协议。NSObject的子类需要实现NSCopying协议及其方法-(id)copyWithZone:(NSZone *)zone。NSObject有一个实例方法copy，默认的copy方法内部调用[self copyWithZone:nil]。对于采纳了NSCopying协议的子类，必须要实现这个copyWithZone方法，否则会发生异常.

iOS中普通对象的拷贝

• 若没有实现过copyWithZone, 则可直接使用alloc和init创建新对象；
• 若该类继承的父类实现了copyWithZone方法，则需overwrite该方法，先调用父类的该方法，再对新增的变量赋值；
• 若为immutable对象，则直接retain+1,返回原始对象；（如同NSString)

demo

@implementation TestObj
-(id)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
    Tire *copy = [[[self class] allocWithZone:zone] init];
    return copy;
}
@end

子类实现copying协议，先调用父类

-(id)copyWithZone: (NSZone *) zone
{
    AllWeatherRadial *tireCopy;
    tireCopy = [super copyWithZone : zone];
    tireCopy.rainHandling = rainHandling;
    tireCopy.snowHandling = snowHandling;
    return tireCopy;
}

NSMutableCopying

对于mutable对象，实现的是NSMutableCopying协议
如果该类的父类实现了mutableCopyWithZone：方法， 则需要重写该方法，先调用父类的该方法，再对新增的变量赋值；

iOS中集合对象的浅拷贝

NSArray *shallowCopyArray = [someArray copyWithZone:nil];
// or
NSDictionary *shallowCopyDict = [[NSDictioary alloc] initWitheDictionary:someDictioanry copyItems: NO];

iOS中集合对象的深拷贝

NSArray *deepCopyArray = [NSArray alloc] initWitheArray: someArray copyItems: YES]; // 只深拷贝了一层，如果数组的元素也为 集合类型， 则无法完全拷贝
// or
NSArray *trueDeepCopyArray = [NSKeyedUnarchiver unarchiveObjectWithData:[NSKeyedArchiver archivedDataWithRootObject: oldArray]]; // 完全拷贝

iOS中NSString、NSMutableString对象

NSString对象的retain非常特殊。
总结起来是：

@式：

NSString *s = @"t";
NSLog(@"s:%lx",[s retainCount]);//输出值为0xffffffffffffffff(UINT_MAX, 2147483647)
NSLog(@"s:%ld",[s retainCount]);//输出值-1,由于0xffffffffffffffff补码表示的值为-1

s指向的是字符串常量（类似于c语言中的静态区存储），系统不做引用计数，任何retain\release操作，其retainCount值都为UINT_MAX。

stringWithFormat：

NSString *s = [NSString stringWithFormat:@"%s", "test"];
NSLog(@"s:%d",[s retainCount]); //输出值为1

系统会正常使用引用计数，和普通对象一样；

stringWithString：

取决于后面的string对象；
NSString *s1 = [NSString stringWithString:@"test"];
NSLog(@"s1:%d",[s1 retainCount]); // 2147483647

如“test”为常量，则s1也指向常量，retain为UINT_MAX;

NSString *s2 = [NSString stringWithString:[NSString stringWithFormat:@"test,%d",1]];
NSLog(@"s2:%d",[s2 retainCount]); // 2
如先用stringWithFormat生成了一个变量，retain为1，再用stringWithString，retain增为2.

NSMutableString

NSMutableString* myStr3 = [NSMutableString stringWithString:@"string 3"]; // 1
使用stringWithString，正常计数。

因此 这里只对使用stringWithFormat式创建的对象的copy/mutblecopy行为进行研究。

T* source = [T stringWithFormat: @"test"];
T* dest = [source copy/mutablecopy];

使用copy，无论source\dest对象是否为mutable，都会退化为immutable；且执行的是浅拷贝，指向同一个老的对象， retain数+1；
使用mutablecopy，只有在source和dest都为NSMutableString时，可正常使用；且执行的是深拷贝，生成新对象，retain数为1。

iOS拷贝小总计

总结

优点

• 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
• 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
• 原型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工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
• 可以使用深克隆的方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来，以便在需要的时候使用（如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。

缺点

• 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。
• 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。

适用场景

• 创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
• 如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
• 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。