设计模式——原型模式(prototype)

引言

  一句话说明原型模式——直接拷贝，而非再“设计”。

  举个例子：现在你有一个工厂和一个产品的设计图，你造了一个流水线用来生产这个产品。这时候你就已经拥有了原型——设计图+流水线，你用它来生产相同的产品，而不是每次生产都重新画一个设计图和建一个流水线。换句话来说——原型是广义上的，代表的不仅仅是一个具体的产品，更重要的是它保留了这个产品的所有特征和流程，在我们需要再次使用的时候就可以直接拷贝，而不是从头开始。

  再比如：操作系统中的进程（Process）复制 —— fork()，在 Linux 或 UNIX 系统中，当我们调用 fork() 系统调用时，会克隆当前进程，创建一个几乎一模一样的新进程（子进程）。这个新进程继承了父进程的大量状态信息（代码段、堆栈、文件描述符等）。

  又如：游戏引擎中的对象克隆（Unity、Unreal）

  在游戏中，大量游戏对象（敌人、子弹、粒子特效）通常基于**模板对象（Prefab）**克隆生成。在 Unity 中，一个敌人原型对象可能包含：

• 模型（Mesh）
• 动画
• 攻击逻辑
• 状态数据

游戏运行时会通过 Instantiate() 克隆原型：

Enemy clone = Instantiate(enemyPrefab);

原型思想：
游戏世界中的对象不是手动 new 出来的，而是“复制”原型对象，减少初始化成本、保持一致性。

所以总结来说：

原型模式（Prototype Pattern）就是“拿来主义”——当创建成本高或复杂时，通过克隆已有对象来生成新的实例。

它的核心作用是：

• 避免复杂的初始化过程；
• 提升性能；
• 让对象创建逻辑更灵活（可以运行时决定复制哪个原型）。

框架结构

每一个具体原型ConcreteProtoytpe实现Clone()用于返回自身的深拷贝，用户Client在操作的时候可以直接通过Clone()复制

实现

  光看上面我们已经知道了原型模式是一个什么东西，但是在现实复杂系统中，我们还需要一个管理结构——管理已创建的原型和创建新的原型，使用户能够高效的搜索。

在下面的代码实例中，我结合了抽象工厂 + 原型模式实现了一个简单的原型管理器和原型结构

• Prototype 定义克隆接口；
• PrototypeA/B 提供深拷贝；
• PrototypeFactory 负责初始创建；
• PrototypeManager 缓存原型并克隆。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <unordered_map>// =============================
// 1. 原型类型定义
// =============================
enum class PrototypeType {A,B,C,D,
};// =============================
// 2. 原型抽象类
// =============================
class Prototype {
public:virtual std::unique_ptr<Prototype> clone() const = 0;virtual void show() const = 0; // 演示用途virtual ~Prototype() = default;
};// =============================
// 3. 具体原型类
// =============================
class PrototypeA : public Prototype {
public:std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {return std::make_unique<PrototypeA>(*this); // 深拷贝}void show() const override { std::cout << "Prototype A cloned\n"; }
};class PrototypeB : public Prototype {
public:std::unique_ptr<Prototype> clone() const override {return std::make_unique<PrototypeB>(*this);}void show() const override { std::cout << "Prototype B cloned\n"; }
};// =============================
// 4. 原型抽象工厂
// =============================
class PrototypeFactory {
public:std::unique_ptr<Prototype> build(PrototypeType typeId) {switch (typeId) {case PrototypeType::A:return std::make_unique<PrototypeA>();case PrototypeType::B:return std::make_unique<PrototypeB>();default:throw std::invalid_argument("Unknown prototype type");}}
};// =============================
// 5. 原型管理器
// =============================
// hash 特化以支持 unordered_map
template<>
struct m_hash<PrototypeType> {size_t operator()(const PrototypeType& t) const noexcept {return static_cast<size_t>(t);}
};
class PrototypeManager {
private:using typeId = PrototypeType;std::unordered_map<typeId, std::unique_ptr<Prototype>, m_hash> table;PrototypeFactory factory;public:std::unique_ptr<Prototype> get(PrototypeType type) {// 原型未注册则创建if (table.find(type) == table.end()) {table[type] = factory.build(type);}// 返回克隆副本return table[type]->clone();}
};// =============================
// 6. 测试用例
// =============================
int main() {PrototypeManager manager;auto a1 = manager.get(PrototypeType::A);a1->show();auto b1 = manager.get(PrototypeType::B);b1->show();auto a2 = manager.get(PrototypeType::A);a2->show();
}

总结

原型模式（Prototype Pattern）就是“拿来主义”——当创建成本高或复杂时，通过克隆已有对象来生成新的实例。