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原型模式是一种创建型设计模式#xff0c;它可以通过复制现有对象来创建新对象#xff0c;而不是直接实例化新的对象。
结构 抽象原型#xff08;Prototype#xff09;#xff1a;声明 clone() 方法#xff0c;以便派生类实现克隆自身的能力。具体原型#xff08…定义
原型模式是一种创建型设计模式它可以通过复制现有对象来创建新对象而不是直接实例化新的对象。
结构 抽象原型Prototype声明 clone() 方法以便派生类实现克隆自身的能力。具体原型Concrete Prototype实现抽象原型中的 clone() 方法需要考虑是浅拷贝还是深拷贝。客户端Client使用 clone() 方法创建新对象。
应用场景
创建成本高且需要重复创建对象当对象的创建过程较为昂贵如涉及数据库查询、复杂计算或大量I/O操作可以使用原型模式来避免重复创建从而提升性能。例如游戏角色的存档加载、图像处理中的大文件复制等。需要保存对象的历史状态或备份在需要支持撤销Undo或快照Snapshot功能的场景下可以使用原型模式存储对象的状态并在需要时恢复。例如文档编辑器的撤销功能、数据库事务回滚等。系统需要减少子类的数量通过使用原型模式系统可以避免为每种配置创建新的子类而是通过克隆已有对象并进行修改来生成新实例从而减少类的数量。例如配置文件的动态加载、不同软件版本的实例化等。
优缺点
优点
简化类层次结构通过克隆创建对象而不是通过继承创建子类从而减少子类数量。提高对象创建效率直接克隆已有对象而不是重新构造能显著提升性能。
缺点
违背开闭原则每个具体原型类需要实现克隆方法而且该克隆方法位于类的内部。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。实现深拷贝较为复杂在实现深拷贝时需要编写较为复杂的代码特别是当对象之间存在多重的嵌套引用时为了实现深拷贝每一层对象对应的类都必须支持深拷贝。
代码示例
浅拷贝
浅拷贝只复制对象的第一层即顶层对象并不会递归地复制嵌套在对象内部的可变对象如列表、字典、集合等。
import copy
from abc import ABC, abstractmethod# 抽象原型类
class Prototype(ABC):abstractmethoddef clone(self):pass# 具体原型类Car
class Car(Prototype):def __init__(self, brand, model, color):self.brand brandself.model modelself.color colordef __str__(self):return f{self.color} {self.brand} {self.model}def clone(self, **attrs):克隆对象并允许修改部分属性# 创建浅拷贝cloned_obj copy.copy(self)# 更新克隆对象的属性cloned_obj.__dict__.update(attrs)return cloned_obj# 创建原型对象
car1 Car(Tesla, Model S, Red)# 克隆对象并修改颜色
car2 car1.clone(colorBlue)print(car1) # 输出: Red Tesla Model S
print(car2) # 输出: Blue Tesla Model S深拷贝
深拷贝会递归地复制对象及其所有嵌套的可变对象创建一个完全独立的新对象。 深拷贝的代码只需要在浅拷贝代码的基础上把copy.copy(self)改成copy.deepcopy(self)即可。
# 具体原型类Car
class Car(Prototype):def __init__(self, brand, model, color, features):self.brand brandself.model modelself.color colorself.features features # 可变对象如列表def __str__(self):return f{self.color} {self.brand} {self.model}def clone(self, **attrs):深拷贝对象并允许修改部分属性# 创建深拷贝cloned_obj copy.deepcopy(self)# 更新克隆对象的属性cloned_obj.__dict__.update(attrs)return cloned_obj# 创建原型对象
car1 Car(Tesla, Model S, Red, [Autopilot, Glass Roof])# 克隆对象并修改颜色
car2 car1.clone(colorBlue)# 修改 car2 的 features
car2.features.append(Self-driving)# 查看 car1 和 car2 的内容
print(car1:, car1) # 输出: Red Tesla Model S
print(car2:, car2) # 输出: Blue Tesla Model S
print(car1.features:, car1.features) # 输出: [Autopilot, Glass Roof]
print(car2.features:, car2.features) # 输出: [Autopilot, Glass Roof, Self-driving]原型管理器
原型管理器用于管理和存储原型对象它存储系统中常用的原型对象并为客户端提供访问和拷贝这些原型对象的接口能够减少重复创建原型对象的工作。 下面为深拷贝代码示例增加原型管理器
# 原型管理器
class PrototypeManager:def __init__(self):self._prototypes {}def register(self, name, obj):注册原型对象self._prototypes[name] objdef unregister(self, name):移除原型对象if name in self._prototypes:del self._prototypes[name]def clone(self, name, **attrs):克隆对象并可修改部分属性if name not in self._prototypes:raise ValueError(f原型 {name} 未注册)return self._prototypes[name].clone(**attrs)# 创建原型管理器
prototype_manager PrototypeManager()# 创建一个Car实例并注册到原型管理器
car1 Car(Tesla, Model S, Red, [Autopilot, Glass Roof])
prototype_manager.register(electric_car, car1)# 克隆对象并修改颜色
car2 prototype_manager.clone(electric_car, colorBlue)print(car1) # 输出: Red Tesla Model S
print(car2) # 输出: Blue Tesla Model S# 取消注册某个原型
prototype_manager.unregister(electric_car)# 再次尝试克隆会抛出异常
try:car3 prototype_manager.clone(electric_car)
except ValueError as e:print(e) # 输出: 原型 electric_car 未注册参考
《设计模式的艺术》
