設計模式：原型模式（Prototype Pattern）

文章目錄

- 一、原型模式的概念
- 二、原型模式的結構
- 三、原型注冊機制
- 四、完整示例代碼

一、原型模式的概念

??原型模式是一種創建型設計模式，使你能夠復制已有對象，而又無需使代碼依賴它們所屬的類。通過復制（克隆）已有的實例來創建新的對象，而不是通過 new 來實例化。

意圖：在對象創建代價較大、或需要保留對象當前狀態時，通過克隆來生成新對象。
核心思想：每個類實現一個 clone() 接口，用于復制自身。

在這里插入圖片描述
優點：

隱藏對象創建細節，對客戶端透明。
提高性能（適合復雜對象復制）。
動態擴展對象種類，不需要修改工廠類。

缺點：

對象內部含有復雜引用時，深拷貝實現復雜。
如果對象的構造過程并不復雜，使用原型模式反而增加代碼復雜度。

二、原型模式的結構

角色組成：

Prototype（抽象原型類）：定義了 clone() 方法的接口。
ConcretePrototype（具體原型類）：實現 clone()，復制自身。
Client（客戶類）：通過調用 clone() 來創建新對象，而不是直接 new。

基本實現：
在這里插入圖片描述
UML類圖：

示例代碼：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;// 抽象原型類
class Prototype {
public:virtual ~Prototype() {}virtual Prototype* clone() const = 0;virtual void show() const = 0;
};// 具體原型類 A
class ConcretePrototypeA : public Prototype {
public:ConcretePrototypeA(const string& name) : name(name) {}Prototype* clone() const override {return new ConcretePrototypeA(*this); // 調用拷貝構造}void show() const override {cout << "ConcretePrototypeA: " << name << endl;}
private:string name;
};// 具體原型類 B
class ConcretePrototypeB : public Prototype {
public:ConcretePrototypeB(int value) : value(value) {}Prototype* clone() const override {return new ConcretePrototypeB(*this); // 調用拷貝構造}void show() const override {cout << "ConcretePrototypeB: value=" << value << endl;}
private:int value;
};// 使用示例
int main() {Prototype* p1 = new ConcretePrototypeA("原型A");Prototype* p2 = new ConcretePrototypeB(42);Prototype* c1 = p1->clone(); // 克隆APrototype* c2 = p2->clone(); // 克隆Bc1->show();c2->show();delete p1;delete p2;delete c1;delete c2;return 0;
}

原型模式（Prototype Pattern）示例，用來克隆 QWidget 界面
場景：

有一個復雜的界面 CustomWidget（包含標簽和按鈕）。
界面創建比較復雜，不想每次都 new。
通過原型模式，我們直接 clone() 來復制已有的界面。

代碼示例：

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QVBoxLayout>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QString>// ============ 抽象原型類 ============
class PrototypeWidget : public QWidget {
public:PrototypeWidget(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent) {}virtual ~PrototypeWidget() {}virtual PrototypeWidget* clone() const = 0;  // 原型接口
};// ============ 具體原型類 ============
class CustomWidget : public PrototypeWidget {
public:CustomWidget(const QString &title, const QString &buttonText, QWidget *parent = nullptr): PrototypeWidget(parent), m_title(title), m_buttonText(buttonText) {QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(this);m_label = new QLabel(m_title, this);m_button = new QPushButton(m_buttonText, this);layout->addWidget(m_label);layout->addWidget(m_button);setLayout(layout);resize(220, 120);}// 克隆自身PrototypeWidget* clone() const override {return new CustomWidget(m_title, m_buttonText);}// ====== 擴展功能：支持修改部分內容 ======void setTitle(const QString &title) {m_title = title;if (m_label) m_label->setText(m_title);}void setButtonText(const QString &text) {m_buttonText = text;if (m_button) m_button->setText(m_buttonText);}private:QString m_title;QString m_buttonText;QLabel *m_label{nullptr};QPushButton *m_button{nullptr};
};// ============ 使用示例 ============
int main(int argc, char *argv[]) {QApplication app(argc, argv);// 原型窗口CustomWidget *prototype = new CustomWidget("原型窗口", "點擊我");prototype->setWindowTitle("原型窗口");prototype->move(100, 100);prototype->show();// 克隆窗口 1（修改標題和按鈕文字）CustomWidget *w1 = static_cast<CustomWidget*>(prototype->clone());w1->setWindowTitle("克隆窗口 1");w1->setTitle("我是克隆1");w1->setButtonText("確認");w1->move(350, 100);w1->show();// 克隆窗口 2（只修改按鈕文字）CustomWidget *w2 = static_cast<CustomWidget*>(prototype->clone());w2->setWindowTitle("克隆窗口 2");w2->setButtonText("取消");w2->move(600, 100);w2->show();return app.exec();
}

三、原型注冊機制

基本實現：
在這里插入圖片描述
UML類圖：

示例：支持原型注冊

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QVBoxLayout>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QString>
#include <QMap>// ============ 抽象原型類 ============
class PrototypeWidget : public QWidget {
public:PrototypeWidget(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent) {}virtual ~PrototypeWidget() {}virtual PrototypeWidget* clone() const = 0;  // 原型接口
};// ============ 具體原型類 ============
class CustomWidget : public PrototypeWidget {
public:CustomWidget(const QString &title, const QString &buttonText, QWidget *parent = nullptr): PrototypeWidget(parent), m_title(title), m_buttonText(buttonText){QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(this);m_label = new QLabel(m_title, this);m_button = new QPushButton(m_buttonText, this);layout->addWidget(m_label);layout->addWidget(m_button);setLayout(layout);resize(220, 120);}// 克隆自身PrototypeWidget* clone() const override {return new CustomWidget(m_title, m_buttonText);}// ====== 擴展功能：支持修改部分內容 ======void setTitle(const QString &title) {m_title = title;if (m_label) m_label->setText(m_title);}void setButtonText(const QString &text) {m_buttonText = text;if (m_button) m_button->setText(m_buttonText);}private:QString m_title;QString m_buttonText;QLabel *m_label{nullptr};QPushButton *m_button{nullptr};
};// ============ 原型管理器 ============
class PrototypeManager {
public:~PrototypeManager() {qDeleteAll(m_prototypes);}void registerPrototype(const QString &name, PrototypeWidget *prototype) {if (m_prototypes.contains(name)) {delete m_prototypes[name];}m_prototypes[name] = prototype;}PrototypeWidget* create(const QString &name) {if (m_prototypes.contains(name)) {return m_prototypes[name]->clone();}return nullptr;}private:QMap<QString, PrototypeWidget*> m_prototypes;
};// ============ 使用示例 ============
int main(int argc, char *argv[]) {QApplication app(argc, argv);PrototypeManager manager;// 注冊不同類型的窗口原型manager.registerPrototype("login", new CustomWidget("登錄窗口", "登錄"));manager.registerPrototype("register", new CustomWidget("注冊窗口", "注冊"));manager.registerPrototype("alert", new CustomWidget("警告", "確定"));// 克隆出 登錄窗口CustomWidget *w1 = static_cast<CustomWidget*>(manager.create("login"));if (w1) {w1->setWindowTitle("克隆 - 登錄");w1->move(100, 100);w1->show();}// 克隆出 注冊窗口，并修改按鈕文字CustomWidget *w2 = static_cast<CustomWidget*>(manager.create("register"));if (w2) {w2->setWindowTitle("克隆 - 注冊");w2->setButtonText("立即注冊");w2->move(350, 100);w2->show();}// 克隆出 警告窗口CustomWidget *w3 = static_cast<CustomWidget*>(manager.create("alert"));if (w3) {w3->setWindowTitle("克隆 - 警告");w3->move(600, 100);w3->show();}return app.exec();
}

四、完整示例代碼

假設有一套圖形（Shape）類，包含圓形（Circle）、矩形（Rectangle），需要通過原型拷貝的方式創建新對象。

#include <QCoreApplication>
#include <QDebug>
#include <QString>
#include <QMap>// Prototype 接口
class Shape {
public:virtual ~Shape() {}virtual Shape* clone() const = 0;virtual void draw() const = 0;
};// 具體原型類：圓形
class Circle : public Shape {
public:Circle(int r = 0) : radius(r) {}Circle(const Circle& other) { radius = other.radius; }Shape* clone() const override {return new Circle(*this); // 深拷貝}void draw() const override {qDebug() << "繪制一個圓, 半徑 =" << radius;}private:int radius;
};// 具體原型類：矩形
class Rectangle : public Shape {
public:Rectangle(int w = 0, int h = 0) : width(w), height(h) {}Rectangle(const Rectangle& other) {width = other.width;height = other.height;}Shape* clone() const override {return new Rectangle(*this);}void draw() const override {qDebug() << "繪制一個矩形, 寬 =" << width << " 高 =" << height;}private:int width;int height;
};// PrototypeManager 原型管理器
class PrototypeManager {
public:void registerPrototype(const QString& name, Shape* prototype) {prototypes[name] = prototype;}void unregisterPrototype(const QString& name) {prototypes.remove(name);}Shape* create(const QString& name) {if (prototypes.contains(name)) {return prototypes[name]->clone();}return nullptr;}private:QMap<QString, Shape*> prototypes;
};// 客戶端使用
int main(int argc, char *argv[])
{QCoreApplication a(argc, argv);PrototypeManager manager;// 注冊原型manager.registerPrototype("circle", new Circle(10));manager.registerPrototype("rectangle", new Rectangle(20, 30));// 克隆對象Shape* c1 = manager.create("circle");Shape* r1 = manager.create("rectangle");if (c1) c1->draw();if (r1) r1->draw();// 再次克隆，得到新的對象Shape* c2 = manager.create("circle");if (c2) c2->draw();// 清理內存delete c1;delete r1;delete c2;return a.exec();
}