无废话C#设计模式之五：Prototype
意图
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。
场景
游戏场景中的有很多相似的敌人，它们的技能都一样，但是随着敌人出现的位置不同，这些人的能力不太一样。假设，我们现在需要把三个步兵组成一队，其中还有一个精英步兵，能力特别高。那么，你或许可以创建一个敌人抽象类，然后对于不同能力的步兵创建不同的子类。然后，使用工厂方法等设计模式让调用方依赖敌人抽象类。
问题来了，如果有无数种能力不同步兵，难道需要创建无数子类吗？还有，步兵模型的初始化工作是非常耗时的，创建这么多步兵对象可能还会浪费很多时间。我们是不是可以通过只创建一个步兵原型，然后复制出多个一摸一样的步兵呢？复制后，只需要调整一下这些对象在地图上出现的位置，或者调整一下它们的能力即可。原型模式就是用来解决这个问题的。
示例代码
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using System; using System.Threading; using System.Collections.Generic; using System.IO; using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary; using System.Diagnostics; namespace PrototypeExample { class Program { static void Main(string[] args) { Stopwatch sw = new Stopwatch(); sw.Start(); Enemy enemyPrototype = new FootMan(5, 4, new Location(100, 200)); GameScene gs = new GameScene(); List<Enemy> enemyGroup = gs.CreateEnemyGroup(enemyPrototype); foreach (FootMan ft in enemyGroup) { ft.ShowInfo(); ft.FootmanAttack(); } Console.WriteLine(sw.ElapsedMilliseconds); } } class GameScene { public List<Enemy> CreateEnemyGroup(Enemy enemyPrototype) { List<Enemy> enemyGroup = new List<Enemy>(); Enemy e1 = enemyPrototype.Clone(true); e1.Location.x = enemyPrototype.Location.x - 10; Enemy e2 = enemyPrototype.Clone(true); e2.Location.x = enemyPrototype.Location.x + 10; Enemy elite = enemyPrototype.Clone(true); elite.Power = enemyPrototype.Power * 2; elite.Speed = enemyPrototype.Speed * 2; elite.Location.x = enemyPrototype.Location.x; elite.Location.y = enemyPrototype.Location.y + 10; enemyGroup.Add(e1); enemyGroup.Add(e2); enemyGroup.Add(elite); return enemyGroup; } } [Serializable] class Location { public int x; public int y; public Location(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } } [Serializable] abstract class Enemy { protected Location location; public Location Location { get { return location; } set { location = value; } } protected int power; public int Power { get { return power; } set { power = value; } } protected int speed; public int Speed { get { return speed; } set { speed = value; } } public abstract Enemy Clone(bool isDeepCopy); public abstract void ShowInfo(); public Enemy(int power, int speed, Location location) { Thread.Sleep(1000); // Construct method is assumed to be a high calc work. this.power = power; this.speed = speed; this.location = location; } } [Serializable] class FootMan : Enemy { private string model; public FootMan(int power, int speed, Location location) : base(power, speed, location) { model = "footman"; } public override void ShowInfo() { Console.WriteLine("model:{0} power:{1} speed:{2} location:({3},{4})", model, power, speed, location.x, location.y); } public override Enemy Clone(bool isDeepCopy) { FootMan footman; if (isDeepCopy) { MemoryStream memoryStream = new MemoryStream(); BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter(); formatter.Serialize(memoryStream, this); memoryStream.Position = 0; footman = (FootMan)formatter.Deserialize(memoryStream); } else footman = (FootMan)this.MemberwiseClone(); return footman; } public void FootmanAttack() { Console.WriteLine("FootmanAttack"); } } } |
代码执行结果如下图：
代码说明
l Enemy类是抽象原型，它有两个用途，一是定义了原型的一些抽象内容，二是定义了原型模式必须的拷贝方法。在这里，我们看到，每个敌人的属性有位置、攻击力、速度等，并且能通过ShowInfo()方法来获取这个人的信息。
l FootMan类就是具体原型了，它显示了敌人的具体参数以及实现了克隆自身。
l GameScene类就是调用方，在这里我们并没有看到有和具体原因进行依赖，通过复制传入的克隆原型，得到一些新的敌人，在原型的基础上稍微调整一下就变成了一支敌人部队。
l 原型模式通过对原型进行克隆来替代无数子类，因此也就减少了调用方和具体类型产生依赖的程序。
l Clone()方法接受一个参数，表示是否是深拷贝。在这里，我们通过序列化反序列化实现深拷贝，深拷贝实现对象的完整复制，包括对象内部的引用类型都会复制一份全新的。在这里，如果3个敌人对象的Location都指向内存同一个地址的话，那么它们就分不开了，因此，在复制的时候需要进行深拷贝，使得它们的Location是独立的。
l 在初始化Enemy的时候，我们Sleep()了一下，目的是模拟对象的创建是一个非常耗时的工作，这也体现了原型模式的另一个优势，在生成敌人的时候，我们其实无需再做这些工作了，我们只需要得到它的完整数据，并且进行一些修改就是一个新的敌人。
l 运行程序后可以看到，虽然创建了三个敌人，但是只耗费了一个敌人的创建时间，三个敌人都是从原型克隆出来的。由于进行了深拷贝，修改了一个敌人的位置并不会影响其它敌人。
何时采用
l 从代码角度来说， 如果你希望运行时指定具体类（比如是使用Footman作为敌人还是使用其它），或者你希望避免创建对象时的初始化过程（如果这个过程占用的时间和资源都非常多），或者是希望避免使用工厂方法来实现多态的时候，可以考虑原型模式。
l 从应用角度来说， 如果你创建的对象是多变化、多等级的产品，或者产品的创建过程非常耗时的时候（比如，有一定的计算量，或者对象创建时需要从网络或数据库中获取一定的数据），或者想把产品的创建独立出去，不想了解产品创建细节的时候可以考虑使用。不得不说，原型模式给了我们多一种创建对象，并且不依赖具体对象的选择。
实现要点
l .NET中使用Object的MemberwiseClone()方法来实现浅拷贝，通过序列化和反序列化实现深拷贝，后者代价比较大，选择何时的拷贝方式。
l 原型模式同样需要抽象类型和具体类型，通过相对稳定的抽象类型来减少或避免客户端的修改可能性。
l 在代码中，我们把敌人作为了抽象类型，抽象层次很高。完全可以把步兵作为抽象类型，下面有普通步兵，手榴弹步兵等等，再有一个坦克作为抽象类型，下面还有普通坦克和防导弹坦克。这样GameScene可能就需要从两种抽象类型克隆出许多步兵和坦克。不管怎么样抽象，只要是对象类型由原型实例所指定，新对象通过原型实例做拷贝，那么这就是原型模式。
注意事项
l 注意选择深拷贝和浅拷贝。
l 拷贝原型并进行修改意味着原型需要公开更多的数据，对已有系统实现原型模式可能修改的代价比较大。
