GoF 23种经典的设计模式——原型模式

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，其主要思想是通过复制（克隆）现有对象来创建新的对象，而不是通过构造函数创建。这样可以避免重复创建相似对象时的性能损耗，同时也更灵活，可以动态地添加或删除对象。原型模式的性能优势主要来自于避免了重复的初始化和构造过程。在原型模式中，对象的克隆是通过复制已有对象的数据而不是重新构造对象，因此避免了重复的初始化和资源获取操作，提高了性能。

在原型模式中，有一个原型对象，它是被复制的对象。通过克隆原型对象，可以创建新的对象，并且可以通过改变克隆的属性来实现个性化定制。在使用原型模式时，通常会提供一个克隆方法，用于复制对象。

原型模式在以下情况下特别有用，可以提高性能并提供更灵活的设计：

1. 对象的创建成本较高： 如果创建一个对象的成本很高昂，例如需要进行复杂的计算、数据库操作或网络调用，那么使用原型模式就可以避免多次创建相似对象的开销。通过克隆现有对象，可以在不重新计算或请求数据的情况下获得新对象。
2. 对象的创建频率很高： 当需要频繁创建对象时，原型模式可以减少对象创建的时间和资源开销。相比于通过构造函数创建新对象，直接克隆已有对象通常更加高效。
3. 类的实例化需要大量的数据获取： 如果对象的初始化涉及到从数据库、文件或远程服务器获取大量数据，通过原型模式可以避免多次获取数据，而是通过克隆现有对象来创建新对象。
4. 需要动态配置对象： 当对象的配置信息可能经常变化时，使用原型模式可以在运行时动态地配置对象。通过克隆现有对象并根据需要修改其中的属性，可以快速地创建新的对象配置。
5. 对象的结构比较复杂： 在某些情况下，对象的创建涉及到多个步骤，可能需要复杂的初始化逻辑。通过克隆已有对象，可以避免重新执行这些复杂的初始化步骤，提高性能。

需要注意的是，虽然原型模式可以提高性能，但在一些情况下可能引入对象状态的共享，因此在设计时需要确保克隆的对象是独立的，不会相互影响。此外，如果原型对象包含引用类型的成员变量，需要特别注意深克隆，以防止共享引用类型对象的问题。

简单实现如下。有一个抽象基类 Prototype，它定义了 clone() 和 print() 这两个虚函数。PrototypeClass 是具体的原型类，它继承了 Prototype 并实现了这两个虚函数。在 PrototypeClass 中，它实现了深拷贝构造函数和克隆接口。深拷贝构造函数用于创建一个新的对象并拷贝原始对象的数据，而克隆接口 clone() 则是通过调用深拷贝构造函数创建一个新的对象并返回。

#include <iostream>
#include <cstring>
class PrototypeClass;
class Prototype;

class Prototype
{
public:
    virtual Prototype *clone() = 0;
    virtual void print() = 0;
};

class PrototypeClass : public Prototype
{
private:
    char *str;

public:
    PrototypeClass(const char *str)
    {
        this->str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(this->str, str);
    };
    PrototypeClass(PrototypeClass &pc)
    {
        // 深拷贝
        delete[] str;
        this->str = new char[strlen(pc.str) + 1];
        strcpy(this->str, pc.str);
    }
    Prototype *clone() override
    {
        // 克隆接口
        return new PrototypeClass(*this);
    }
    void print()
    {
        std::cout << str << std::endl;
    }
    ~PrototypeClass()
    {
        delete[] str;
    };
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    PrototypeClass *p1 = new PrototypeClass("Hello world!");
    p1->print();
    // 拷贝构造函数
    PrototypeClass *p2 = p1;
    p2->print();
    // 克隆接口
    Prototype *p3 = p1->clone();
    p3->print();
    return 0;
}