原型模式（Prototype）：让对象自己复制自己

更新时间：2026-08-25。本文按"先看不用模式的困境 → 再用模式重构 → 类图对比分析"的结构，论述原型模式。可运行代码：demos/design-patterns/prototype。

一、问题场景：创建成本高或类型不确定的"复制"需求

文档编辑器里"复制一份带格式的图形"、游戏里"克隆一个敌人刷兵"、配置中心"复制一份配置再改两处"。共同点：与其从头构造，不如基于现有实例复制，且复制时不知道（或不关心）具体类型。

二、不使用模式：手工逐字段拷贝 / 按类型分支复制

// 客户端要知道具体类型，手工拷每个字段
Circle c2;
c2.setX(c1.getX()); c2.setY(c1.getY()); c2.setRadius(c1.getRadius());
// 类型多了：分支复制
if (type == CIRCLE) copyCircle(...); else if (type == RECT) copyRect(...);

缺陷	说明
违反 DIP/OCP	复制逻辑依赖所有具体类型，加类型就要加分支
字段拷贝易漏	新加字段忘拷 = 隐蔽 bug
深拷贝易错	指针/容器成员处理错 → 悬垂或共享
复制逻辑散落	每个调用点各写一份

不使用模式的类图

三、使用模式：原型自备 clone()，复制交给对象自己

原型模式在基类声明 virtual clone()，每个具体类实现"复制自身"（天然知道自己的字段与内部结构，深浅拷贝自己做主）；客户端只依赖抽象原型调用 clone()。

// shape.h —— 深浅拷贝对比的关键
class Shape {
public:
    virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double r, std::shared_ptr<Style> st) : radius_(r), style_(std::move(st)) {}
    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        return std::make_unique<Circle>(*this);   // 深拷贝：让 Style 也复制一份
        // 若浅拷贝：style_ 直接共享，改一个全变
    }
    void draw() const override { /* ... */ }
private:
    double radius_;
    std::shared_ptr<Style> style_;    // 复合成员，clone 时决定深浅
};

// 客户端：只依赖 Shape 抽象
std::unique_ptr<Shape> duplicate(const Shape& s) { return s.clone(); }

使用模式的类图

深浅拷贝对比（本仓库内存视角）

拷贝策略	做法	后果
浅拷贝	指针成员直接共享	改一处影响所有"克隆体"，可能悬垂（谁释放？）
深拷贝	指针成员也复制一份	克隆体完全独立，内存翻倍
写时复制（COW）	共享 + 修改时再复制	读多写少时省内存，需引用计数

选择依据：样式/配置等只读共享对象用浅拷贝+共享（省内存）；会被独立修改的内部状态用深拷贝（保独立）。原型模式的 clone() 正是把这种策略决策收进类内部。

四、类图对比与分析

维度	不使用（逐字段/分支复制）	使用原型
依赖	客户端依赖所有具体类型	只依赖抽象 Shape
扩展新类型	复制分支要改	新类型实现 clone() 即可
字段漏拷	容易（散落拷贝点）	不可能（类内部 *this 拷贝构造）
深浅拷贝策略	各调用点各自为政	类内统一决策
创建成本	每次都从头构造	复制原型，可预置"样板原型"

分析结论：原型把"复制"从调用方的手工劳动变成原型自身的能力，顺带解决了"类型未知时如何复制"（多态 clone）。代价是要求类可复制（深拷贝正确性在类内维护）。

五、适用边界

适用	不适用
创建成本高、基于已有对象改造	对象构造便宜、字段简单
类型在运行时才确定（插件/配置驱动）	类型静态已知且少（直接 new + 拷贝构造）
需要样板实例（原型池）	类含不可复制资源（独占 fd/锁），须谨慎

与拷贝构造的区别：拷贝构造是语言机制（同类型复制）；原型是模式（通过基类接口、跨类型多态复制）。原型模式内部通常就靠拷贝构造实现，但暴露的是抽象接口 clone()。

一句话总结

原型模式让对象通过 clone() 自己复制自己，客户端只依赖抽象原型——复制逻辑与深浅拷贝策略收进类内，类型未知也能复制；当创建昂贵且需基于现有实例变体时，它比手工逐字段拷贝更不易出错、更符合 OCP。