原型模式
原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，通过复制现有对象来创建新对象，避免了重复创建对象的开销。原型模式的核心在于通过复制现有的实例对象来生成新的实例对象，从而提升效率。
场景假设：需要创建复杂配置的仪器连接对象（含IP、端口、校验配置等）
1. 不使用原型模式（直接构造新对象）
class DeviceConnection {
private:string ip;int port;vector<uint8_t> configData; // 大型配置数据
public:// 复杂构造函数（模拟耗时操作）DeviceConnection(string ip, int port) : ip(ip), port(port) {// 模拟耗时配置加载（从文件/数据库读取）this->configData.resize(1024*1024); // 1MB数据std::iota(configData.begin(), configData.end(), 0);}void setValidation(bool enable) { /*...*/ }void print() { cout << ip << ":" << port << endl; }
};// 客户端代码
DeviceConnection conn1("192.168.1.10", 5025); // 耗时构造
DeviceConnection conn2 = conn1; // 仅浅拷贝（危险！）
conn2.setValidation(true); // 修改会影响conn1吗？
缺点分析：
- 重复初始化成本：每个新对象都要执行完整的构造函数逻辑
- 浅拷贝风险：默认拷贝构造函数导致configData内存共享
- 配置同步问题：修改一个对象的配置不会影响另一个（但共享数据会出问题）
2. 使用原型模式（显式克隆）// 基类实现克隆接口
class ICloneable {
public:virtual unique_ptr<ICloneable> clone() const = 0;virtual ~ICloneable() = default;
};class DeviceConnection : public ICloneable {
private:string ip;int port;vector<uint8_t> configData;
public:// 原型对象构造（仅首次需要耗时）DeviceConnection(string ip, int port) : ip(ip), port(port) {this->configData.resize(1024*1024);std::iota(configData.begin(), configData.end(), 0);}// 实现深拷贝克隆unique_ptr<ICloneable> clone() const override {auto newObj = make_unique<DeviceConnection>(*this);newObj->configData = this->configData; // 显式深拷贝return newObj;}void setIP(string newIP) { ip = newIP; }void print() { cout << ip << ":" << port << endl; }
};// 客户端代码
auto prototype = make_unique<DeviceConnection>("192.168.1.10", 5025);// 快速克隆已有配置
auto conn1 = prototype->clone();
dynamic_cast<DeviceConnection*>(conn1.get())->setIP("192.168.1.11");auto conn2 = prototype->clone();
dynamic_cast<DeviceConnection*>(conn2.get())->setIP("192.168.1.12");
缺点分析：
- 类型转换开销：需要dynamic_cast处理具体类型
- 内存消耗：克隆大型对象时需要复制全部数据
- 接口约束：必须继承ICloneable接口
关键对比表格：
| 特性 | 原型模式 | 不用原型模式 |
|---|---|---|
| 对象创建速度 | ✅ 快速克隆（避开构造函数） | ❌ 每次完整构造 |
| 内存效率 | ❌ 可能重复存储相同数据 | ✅ 仅保留必要数据 |
| 对象状态一致性 | ✅ 确保初始状态一致 | ❌ 依赖构造函数正确性 |
| 代码复杂度 | ❌ 需实现克隆接口 | ✅ 直接使用默认构造 |
| 多态支持 | ✅ 支持异构对象克隆 | ❌ 只能创建同类对象 |
| 配置修改安全性 | ✅ 独立内存空间 | ❌ 默认浅拷贝风险 |
工程建议：
// 最佳实践：结合工厂模式管理原型
class DeviceFactory {
private:static unordered_map<DeviceType, unique_ptr<DeviceConnection>> prototypes;
public:static void init() {prototypes[DeviceType::SCOPE] = make_unique<DeviceConnection>("192.168.1.100", 5025);// 其他设备类型初始化...}static unique_ptr<DeviceConnection> create(DeviceType type) {return prototypes[type]->clone();}
};
