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深拷贝与潜拷贝(C#中Prototype模式的实现)

2006-09-30 11:23 911 查看

一、 原型(Prototype)模式

原型模式的用意是:通过给出一个原型对象来指明所要创建的对象类型,然后用复制这个原型对象的办法创建出更多的同类型对象。

从孙大圣的手段谈起

孙悟空在与黄风怪的战斗中,"使一个身外身的手段:把毫毛揪下一把,用口嚼得粉碎,望上一喷,叫声'变',变有百十个行者,都是一样得打扮,各执一根铁棒,把那怪围在空中。"换而言之,孙悟空可以根据自己的形象,复制出很多"身外身"来。

老孙这种身外身的手段在面向对象设计领域里叫原型(Prototype)模式。

C#对原型模式的支持

在C#里面,我们可以很容易的通过Clone()方法实现原型模式。任何类,只要想支持克隆,必须实现C#中的ICloneable接口。ICloneable接口中有一Clone方法,可以在类中复写实现自定义的克隆方法。克隆的实现方法有两种:浅拷贝(shallow copy)与深拷贝(deep copy)。

(以下摘自:《.NET框架程序设计(修订版)》,李建忠译)浅拷贝是指当对象的字段值被拷贝时,字段引用的对象不会被拷贝。例如,如果一个对象有一个指向字符串的字段,并且我们对该对象做了一个浅拷贝,那么两个对象将引用同一个字符串。而深拷贝是对对象实例中字段引用的对象也进行拷贝的一种方式,所以如果一个对象有一个指向字符串的字段,并且我们对该对象做了一个深拷贝的话,我们将创建一个新的对象和一个新的字符串--新对象将引用新字符串。需要注意的是执行深拷贝后,原来的对象和新创建的对象不会共享任何东西;改变一个对象对另外一个对象没有任何影响。


二、 Prototype模式的结构:



客户(Client)角色:客户类提出创建对象的请求。
抽象原型(Prototype)角色:这是一个抽象角色,通常由一个C#接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体原型类所需的接口。在C#中,抽象原型角色通常实现了ICloneable接口。
具体原型(Concrete Prototype)角色:被复制的对象。此角色需要实现抽象原型角色所要求的接口。


三、 程序举例:

下面的程序给出了一个示意性的实现:


// Prototype pattern -- Structural example


using System;




// "Prototype"


abstract class Prototype






{


// Fields


private string id;




// Constructors


public Prototype( string id )






{


this.id = id;


}




public string Id






{




get

{ return id; }


}




// Methods


abstract public Prototype Clone();


}




// "ConcretePrototype1"


class ConcretePrototype1 : Prototype






{


// Constructors




public ConcretePrototype1( string id ) : base ( id )

{}




// Methods


override public Prototype Clone()






{


// Shallow copy


return (Prototype)this.MemberwiseClone();


}


}




// "ConcretePrototype2"


class ConcretePrototype2 : Prototype






{


// Constructors




public ConcretePrototype2( string id ) : base ( id )

{}




// Methods


override public Prototype Clone()






{


// Shallow copy


return (Prototype)this.MemberwiseClone();


}


}






/**//// <summary>


/// Client test


/// </summary>


class Client






{


public static void Main( string[] args )






{


// Create two instances and clone each


ConcretePrototype1 p1 = new ConcretePrototype1( "I" );


ConcretePrototype1 c1 = (ConcretePrototype1)p1.Clone();


Console.WriteLine( "Cloned: {0}", c1.Id );




ConcretePrototype2 p2 = new ConcretePrototype2( "II" );


ConcretePrototype2 c2 = (ConcretePrototype2)p2.Clone();


Console.WriteLine( "Cloned: {0}", c2.Id );


}


}

这个例子实现了一个浅拷贝。其中MemberwiseClone()方法是Object类的一个受保护方法,实现了对象的浅拷贝。如果希望实现一个深拷贝,应该实现ICloneable接口,并自己编写ICloneable的Clone接口方法。


四、 带Prototype Manager的原型模式

原型模式的第二种形式是带原型管理器的原型模式,其UML图如下:



客户(Client)角色:客户端类向原型管理器提出创建对象的请求。
抽象原型(Prototype)角色:这是一个抽象角色,通常由一个C#接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体原型类所需的接口。在C#中,抽象原型角色通常实现了ICloneable接口。
具体原型(Concrete Prototype)角色:被复制的对象。此角色需要实现抽象的原型角色所要求的接口。
原型管理器(Prototype Manager)角色:创建具体原型类的对象,并记录每一个被创建的对象。

下面这个例子演示了在原型管理器中存储用户预先定义的颜色原型,客户通过原型管理器克隆颜色对象。


// Prototype pattern -- Real World example


using System;


using System.Collections;




// "Prototype"


abstract class ColorPrototype






{


// Methods


public abstract ColorPrototype Clone();


}




// "ConcretePrototype"


class Color : ColorPrototype






{


// Fields


private int red, green, blue;




// Constructors


public Color( int red, int green, int blue)






{


this.red = red;


this.green = green;


this.blue = blue;


}




// Methods


public override ColorPrototype Clone()






{


// Creates a 'shallow copy'


return (ColorPrototype) this.MemberwiseClone();


}




public void Display()






{


Console.WriteLine( "RGB values are: {0},{1},{2}",


red, green, blue );


}


}




// Prototype manager


class ColorManager






{


// Fields


Hashtable colors = new Hashtable();




// Indexers


public ColorPrototype this[ string name ]






{




get

{ return (ColorPrototype)colors[ name ]; }




set

{ colors.Add( name, value ); }


}


}






/**//// <summary>


/// PrototypeApp test


/// </summary>


class PrototypeApp






{


public static void Main( string[] args )






{


ColorManager colormanager = new ColorManager();




// Initialize with standard colors


colormanager[ "red" ] = new Color( 255, 0, 0 );


colormanager[ "green" ] = new Color( 0, 255, 0 );


colormanager[ "blue" ] = new Color( 0, 0, 255 );




// User adds personalized colors


colormanager[ "angry" ] = new Color( 255, 54, 0 );


colormanager[ "peace" ] = new Color( 128, 211, 128 );


colormanager[ "flame" ] = new Color( 211, 34, 20 );




// User uses selected colors


string colorName = "red";


Color c1 = (Color)colormanager[ colorName ].Clone();


c1.Display();




colorName = "peace";


Color c2 = (Color)colormanager[ colorName ].Clone();


c2.Display();




colorName = "flame";


Color c3 = (Color)colormanager[ colorName ].Clone();


c3.Display();


}


}



五、 浅拷贝与深拷贝

下面给出浅拷贝与深拷贝的两个例子,例子使用了ICloneable接口。C#中的数组是引用型的变量,我们通过数组来进行演示:

浅拷贝:


using System;




class ShallowCopy : ICloneable






{




public int[] v =

{1,2,3};




public Object Clone()






{


return this.MemberwiseClone();


}




public void Display()






{


foreach(int i in v)


Console.Write( i + ", ");


Console.WriteLine();


}


}




class Client






{


public static void Main()






{


ShallowCopy sc1 = new ShallowCopy();


ShallowCopy sc2 = (ShallowCopy)sc1.Clone();


sc1.v[0] = 9;




sc1.Display();


sc2.Display();


}


}

ShallowCopy对象实现了一个浅拷贝,因此当对sc1进行克隆时,其字段v并没有克隆,这导致sc1与sc2的字段v都指向了同一个v,因此,当修改了sc1的v[0]后,sc2的v[0]也发生了变化。

深拷贝:


using System;




class DeepCopy : ICloneable






{




public int[] v =

{1,2,3};




// 默认构造函数


public DeepCopy()






{


}




// 供Clone方法调用的私有构造函数


private DeepCopy(int[] v)






{


this.v = (int[])v.Clone();


}




public Object Clone()






{


// 构造一个新的DeepCopy对象,构造参数为


// 原有对象中使用的 v


return new DeepCopy(this.v);


}




public void Display()






{


foreach(int i in v)


Console.Write( i + ", ");


Console.WriteLine();


}


}




class Client






{


public static void Main()






{


DeepCopy dc1 = new DeepCopy();


DeepCopy dc2 = (DeepCopy)dc1.Clone();


dc1.v[0] = 9;




dc1.Display();


dc2.Display();


}


}

这次在克隆的时候,不但克隆对象本身,连里面的数组字段一并克隆。因此,最终打印出来的dc1与dc2不同。


六、 Prototype模式的优点与缺点

Prototype模式的优点包括

1、Prototype模式允许动态增加或减少产品类。由于创建产品类实例的方法是产批类内部具有的,因此增加新产品对整个结构没有影响。

2、Prototype模式提供了简化的创建结构。工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的等级结构,而Prototype模式就不需要这样。

3、Portotype模式具有给一个应用软件动态加载新功能的能力。由于Prototype的独立性较高,可以很容易动态加载新功能而不影响老系统。

4、产品类不需要非得有任何事先确定的等级结构,因为Prototype模式适用于任何的等级结构。

Prototype模式的缺点:

Prototype模式的最主要缺点就是每一个类必须配备一个克隆方法。而且这个克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑,这对全新的类来说不是很难,但对已有的类进行改造时,不一定是件容易的事。

参考文献:
阎宏,《Java与模式》,电子工业出版社
[美]James W. Cooper,《C#设计模式》,电子工业出版社
[美]Alan Shalloway James R. Trott,《Design Patterns Explained》,中国电力出版社
[美]Robert C. Martin,《敏捷软件开发-原则、模式与实践》,清华大学出版社
[美]Don Box, Chris Sells,《.NET本质论 第1卷:公共语言运行库》,中国电力出版社
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