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原型模式（Prototype Pattern）是一种软件设计模式，通过使用原型实例来指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象，从而避免重复代码的冗余。这一模式在开发中广泛应用，尤其在需要灵活对象创建的情况下。

什么是原型模式？

原型模式的核心思想是定义一个接口（通常称为原型接口），然后通过复制现有的实例并根据需要进行修改来创建新的实例。这使得系统能够在运行时灵活配置和创建对象，而无需公开构造函数或手动进行复杂的初始化操作。

为什么要使用原型模式？

在面对新对象的创建需求时，直接使用 new 运算符可能导致代码冗余，难以管理对象的创建逻辑。而原型模式通过复制现有对象实例来创建新对象，既提高了效率，又简化了代码结构。

原型模式的适用场景

原型模式适用于以下场景：

• 当系统需要独立于具体对象的构造过程管理时。
• 当需要在运行时客户端动态决定对象的具体实现方式时。
• 当需要避免在类层次中引入工厂类来管理对象的创建时。
• 当对象的状态在多个可能组合中时，通过预先定义原型来优化性能。

原型模式的优缺点

优点：

• 提供与构造函数 decoupling 的性能优势。
• 适用于大量对象的创建，其复杂性较低。

缺点：

• 必须实现 Cloneable 接口，增加了程序的复杂度。
• 当对象需要深度复制时，实现起来相对繁琐。

原型模式的分类

原型模式可以根据对象的复制方式划分为两种类型：

• 值类型的原型模式：采用 MemberwiseClone 方法实现浅复制，适用于对象内部所有成员变量都为值类型的情况。
• 引用类型的原型模式：需要自定义克隆方法实现深复制，确保新对象复制所有引用成员变量的引用。例如，使用 C# 的 Object.MemberwiseClone 方法实现浅复制，或者自定义克隆逻辑进行深复制。

具体案例：水果布丁制作

在实际开发中，原型模式可以用于创建对象的多种状态。例如，制作水果布丁时，不同的口味可能需要不同的材料组合。通过使用原型模式，可以预先定义各种原型，并通过复制这些原型来创建新的布丁实例。

值类型的原型模式示例

假设我们有一个 Pudding 类，它实现了 ICloneable 接口：

class Pudding : ICloneable
{
    private string name; // 水果布丁的名字
    private int milk;   // 牛奶
    private int egg;    // 鸡蛋
    private int unsaltedbutter; // 淡奶油
    private int sugar; // 糖
    private string fruit; // 水果
    public Pudding(string name)
    {
        this.name = name;
    }
    public void SetBasicMaterials(int milk, int egg, int unsaltedbutter)
    {
        this.milk = milk;
        this.egg = egg;
        this.unsaltedbutter = unsaltedbutter;
    }
    public void SetFlavorMaterials(int sugar, string fruit)
    {
        this.sugar = sugar;
        this.fruit = fruit;
    }
    public object Clone()
    {
        return (object)this.MemberwiseClone();
    }
}

在客户端代码中：

Pudding p1 = new Pudding("香蕉布丁");
p1.SetBasicMaterials(250, 2, 60);
p1.SetFlavorMaterials(30, "香蕉丁");
Pudding p2 = (Pudding)p1.Clone();
p2.SetFlavorMaterials(40, "香蕉丁");
Pudding p3 = (Pudding)p1.Clone();
p3.SetFlavorMaterials(45, "香蕉丁加苹果丁");
p1.Show();
p2.Show();
p3.Show();
Console.ReadKey();

这样，原始对象 p1 不会受到 p2 和 p3 修改的影响，每个对象都有正确的独立状态。

引用类型的原型模式示例

在引用类型的示例中，我们可以看到更复杂的对象结构。例如，Flavormaterials 类作为一个独立的对象，采用引用类型的原型模式，通过复制实现深复制：

public class Flavormaterials : ICloneable
{
    private int sugar;
    private string fruit;
    public int Sugar
    {
        get { return sugar; }
        set { sugar = value; }
    }
    public string Fruit
    {
        get { return fruit; }
        set { fruit = value; }
    }
    public object Clone()
    {
        return (object)MemberwiseClone();
    }
}

在 Pudding 类中：

class Pudding : ICloneable
{
    private string name;
    private int milk;
    private int egg;
    private int unsaltedbutter;
    private Flavormaterials _flavorMaterial = new Flavormaterials();
    public Pudding(string name)
    {
        this.name = name;
    }
    public void SetFlavorMaterials(int sugar, string fruit)
    {
        _flavorMaterial.Sugar = sugar;
        _flavorMaterial.Fruit = fruit;
    }
    public object Clone()
    {
        Pudding copy = new Pudding(this.name);
        copy.milk = this.milk;
        copy.egg = this.egg;
        copy.unsaltedbutter = this.unsaltedbutter;
        return copy;
    }
}

在客户端代码中：

Pudding p1 = new Pudding("香蕉布丁");
p1.SetBasicMaterials(250, 2, 60);
p1.SetFlavorMaterials(30, "香蕉丁");
Pudding p2 = (Pudding)p1.Clone();
p2.SetFlavorMaterials(40, "香蕉丁");
Pudding p3 = (Pudding)p1.Clone();
p3.SetFlavorMaterials(45, "香蕉丁加苹果丁");
p1.Show();
p2.Show();
p3.Show();
Console.ReadKey();

这里，p2 和 p3 分别复制了 p1 的基本属性和口味属性，显示的结果也说明了深复制的优势。