(待改進...)

簡介

• 原型模式用於創建對象的複製。這種模式主要用於避免創建對象的成本和資源消耗，特別是當一個對象需要經過時間消耗的初始化過程時

Applicability

• 當創建單個對象的成本過高或複雜時
• 當需要保留對象的狀態，並且後續需要基於這些狀態創建新對象時

基本概念

• 原型 (Prototype): 這是一個實現了自我複製 (self-copying) 功能的對象
• 客戶端 (Client): 使用原型實例的對象

Consequences

優點

• 高效: 避免了手動創建對象所需的初始化成本
• 靈活: 允許在運行時動態地創建對象

缺點

• 深拷貝與淺拷貝問題: 需要注意對象內部的複製細節
• 維護複雜性: 當對象有多個版本或配置時

[補充] 深拷貝 (Deep Copy) vs. 淺拷貝 (Shallow Copy)

淺拷貝

• 僅僅是對基本數據類型 (如整數、浮點數等) 的拷貝，以及對指針變量的地址拷貝，而不會拷貝指針指向的實際對象

class ShallowCopyPrototype : public Prototype {
public:
    int* data;

    ShallowCopyPrototype() {
        data = new int;
    }

    std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        auto cloneObj = std::make_unique<ShallowCopyPrototype>();
        cloneObj->data = this->data;  // 只拷貝指針，不拷貝指針指向的數據
        return cloneObj;
    }
};

缺點

• 容易引發資源管理問題，例如兩個對象可能會共享相同的資源
• 不適用於需要獨立副本的場景

深拷貝

• 不僅拷貝對象的基本類型，還會遞迴地拷貝對象中的所有後續對象。換句話說，它會創建一個完全獨立的對象副本

class DeepCopyPrototype : public Prototype {
public:
    int* data;

    DeepCopyPrototype() {
        data = new int;
    }

    std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        auto cloneObj = std::make_unique<DeepCopyPrototype>();
        cloneObj->data = new int;  // 創建新的內存
        *(cloneObj->data) = *(this->data);  // 拷貝數據
        return cloneObj;
    }
};

優點

• 創建了完全獨立的對象副本
• 避免了資源共享的問題

[補充]: 拷貝構造函數 (Copy Constructor) vs. 拷貝賦值 (Copy Assignment)

拷貝構造函數 (Copy Constructor)

• 是一種特殊的構造函數，用於創建一個新對象，並將現有對象的狀態 (即成員變量的值) 複製到新對象中。拷貝構造函數的主要目的是確保深拷貝和淺拷貝行為得以正確實現
• 語法

  ClassName(const ClassName& other);
  

• 觸發時機: 拷貝構造函數會在以下幾種情況下被調用
  • 初始化一個新對象: ClassName obj1 = obj2
  • 作為函數參數傳遞: 當一個對象以值的形式傳遞給函數
  • 作為函數返回值：當一個對象以值的形式從函數返回
  • 手動調用: 使用 new 關鍵字或其他方式手動調用
• 範例

  class MyClass {
  private:
      int* data;
  public:
      // 普通構造函數
      MyClass(int value) {
          data = new int(value);
      }
  
      // 拷貝構造函數（深拷貝）
      MyClass(const MyClass& other) {
          data = new int(*other.data);
      }
  
      // 解構函數
      ~MyClass() {
          delete data;
      }
  
      void show() {
          std::cout << *data << std::endl;
      }
  };
  
  int main() {
      MyClass obj1(42);
      MyClass obj2 = obj1;  // 調用拷貝構造函數
  
      obj1.show();  // 輸出：42
      obj2.show();  // 輸出：42
  }
  

拷貝賦值 (Copy Assignment)

• 觸發時機: 與賦值運算符相同，但通常會涉及資源的拷貝
• 區別: 拷貝賦值是賦值運算符的一種特殊形式，通常會涉及深拷貝

範例: Deep-copy Prototype

// 原型基類
class Prototype {
public:
    virtual std::unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;
    virtual void operation() const = 0;
};

// 具體原型
class ConcretePrototype : public Prototype {
public:
    std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {
        return std::make_unique<ConcretePrototype>(*this);
    }

    void operation() const override {
        std::cout << "ConcretePrototype operation" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::unique_ptr<Prototype> prototype = std::make_unique<ConcretePrototype>();
    prototype->operation();

    std::unique_ptr<Prototype> clonedPrototype = prototype->clone();
    clonedPrototype->operation();
}

Reference

1. https://medium.com/bucketing/creational-patterns-prototype-pattern-eb6e3c14f1b2
2. https://refactoring.guru/design-patterns/prototype