【设计模式精讲】8.原型模式（Prototype）

【设计模式精讲】8.原型模式（Prototype）

【摘要】：复制一个多态对象，最直觉的写法Shape s = *proto;会发生对象切片——副本丢掉派生部分只剩基类骨架。本文从这次「复制后行为消失」的事故讲起，给出原型模式：把克隆动作委派给对象自己，clone()虚函数 + 拷贝构造配合，让「只认识接口」的代码也能造出正确类型的副本。C++ 实现沿 Refactoring Guru 的几何图形示例展开传统写法，进阶覆盖智能指针返回、CRTP 消除重复 clone、深浅拷贝抉择与「拷贝构造即内建原型」的辨析；文末考察 Boost 指针容器的new_clone体系与 Protobuf 的Clone()，并给出注册表形态的工程用法。

【关键词】：原型、clone、拷贝构造、对象切片、深拷贝、CRTP

1. 复制出来的图形「忘了」自己是谁

画板程序里，工具箱预置了配置好的图形，拖出来用：

// 说明性片段（省略图形类定义）// ❌ 按基类复制：发生对象切片Shape*proto=toolbox->get("circle");Shape copy=*proto;// 只复制了基类部分！copy.draw();// 画出来的是「哑图」

copy静态类型是Shape，无论*proto运行时是什么，拷贝构造只切走基类子对象——派生类新增的半径、填充、特效全部丢失。C++ 特有的这个坑叫对象切片（object slicing）。换new？new Shape(*proto)同样只构造基类；要让副本保持真实类型，创建者必须在编译期就知道具体类——可工具箱只知道Shape*。两难的本质：「复制一个对象」这个动作，需要具体类的知识，而持有者只有抽象接口。把复制委派给对象自己，问题即解——这就是原型模式。

2. 模式意图与定义

• 一句话定义（GoF 原文意图）：Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance, and create new objects by copying this prototype——用原型实例指定创建对象的种类，并通过复制这些原型创建新对象。RG 亦称「克隆模式（Clone）」：使你能够复制已有对象，而又无需使代码依赖它们所属的类。
• 解决的问题：RG 指出从外部复制的两重障碍——私有成员从外部不可见；必须知道对象的具体类才能 new 副本，而很多时候调用方只持有接口。把克隆收回对象内部（「绝大部分语言允许对象访问同类对象的私有成员」，C++ 亦然），两个障碍同时消失。

原型的第二个用途同样重要（GoF 动机）：图形编辑器的工具箱里，每种工具持有一个预配置好的原型实例（四分音符原型、移动工具原型），用户点击工具添加对象时只是clone()一下——「预生成原型」可以代替子类构造，运行时还能增删注册新种类，这是它比工厂更动态的一面。RG 的类比是细胞有丝分裂：原始细胞推动生成一对完全相同的细胞。

3. UML 图 + 结构说明

角色极其精简（RG 基本实现三角色）：

• 原型（Prototype）接口：声明clone()，绝大多数情况只有这一个方法；
• 具体原型（Concrete Prototype）：实现clone()——调用自己的拷贝构造造一个同类新对象并返回；有极端情况要处理（关联对象要不要连带复制、递归依赖如何梳理），这正是深浅拷贝的抉择点（第 5 节）；
• 客户端：可复制任何实现原型接口的对象，无需知道其类。

C++ 的一个语言红利：clone()的返回类型可以写协变返回类型（Rectangle::clone()返回Rectangle*），比 GoF 伪代码更精确；另一个语言事实要警惕：拷贝构造本身就是 C++ 内建的原型机制，但它是静态绑定的——clone()的存在只为补上「多态复制」这一块。

4. 传统 C++ 写法（C++11 之前）

按 RG 几何图形示例的传统 C++ 实现：基类提供「原型构造函数」（从同类对象复制成员），子类clone()调用它：

// C++98/03 写法#include<iostream>#include<string>classShape{public:Shape():m_x(0),m_y(0){}Shape(constShape&s)// 原型构造：复制基类成员:m_x(s.m_x),m_y(s.m_y),m_color(s.m_color){}virtual~Shape(){}voidmove(intx,inty){m_x=x;m_y=y;}virtualvoiddraw()const=0;// 协变返回：子类可返回更精确类型virtualShape*clone()const=0;protected:intm_x,m_y;std::string m_color;};classRectangle:publicShape{public:Rectangle():m_w(0),m_h(0){}Rectangle(constRectangle&r):Shape(r),// 先复制基类部分m_w(r.m_w),m_h(r.h()){}virtualvoiddraw()const{std::cout<<"矩形 @"<<m_x<<","<<m_y<<"\n";}virtualRectangle*clone()const{returnnewRectangle(*this);}inth()const{returnm_h;}private:intm_w,m_h;};classCircle:publicShape{public:Circle():m_r(0){}Circle(constCircle&c):Shape(c),m_r(c.m_r){}virtualvoiddraw()const{std::cout<<"圆 r="<<m_r<<"\n";}virtualCircle*clone()const{returnnewCircle(*this);}private:intm_r;};

客户端只见抽象：

// 说明性片段（接上例）Shape*proto=newCircle();// 实际来自工具箱proto->move(10,10);Shape*copy=proto->clone();// ✅ 真·Circlecopy->draw();// 画的是圆，不是哑图deleteproto;deletecopy;

与传统写法配套的是 RG 的原型注册表：预置一批配置好的原型，名称 → 原型存进 map，create(name)查表后clone()——工具新增图形种类不用写新工厂，注册一个原型即可，甚至可以运行时替换。

5. 现代 C++ 进阶写法

升级一：智能指针交货 + 深浅拷贝抉择。clone()返回std::unique_ptr<Shape>，所有权随即清晰；拷贝构造照旧承担成员复制：

// 节选（Shape/Rectangle 定义同上，略）#include<memory>structModernShape{virtual~ModernShape()=default;virtualvoiddraw()const=0;virtualstd::unique_ptr<ModernShape>clone()const=0;};structModernCircle:ModernShape{voiddraw()constoverride{}std::unique_ptr<ModernShape>clone()constoverride{// 调拷贝构造，隐式转基类指针returnstd::make_unique<ModernCircle>(*this);}};

深浅拷贝的抉择在智能指针时代更尖锐：成员若是unique_ptr<Brush>，拷贝构造被隐式删除，必须手写「深拷贝」（m_brush(other.m_brush->clone())）或改shared_ptr共享；成员若是std::string/std::vector值语义类型，默认拷贝构造就是正确深拷贝。经验法则：值语义成员交给默认，多态成员逐个clone，裸指针成员先还债。

升级二：CRTP 消灭重复的 clone。每个子类写一遍clone()语义相同又枯燥，Curiously Recurring Template Pattern 把它上提：

// 节选（ModernShape 定义同上，略）#include<memory>#include<type_traits>template<typenameDerived,typenameBase=ModernShape>structCloneable:Base{std::unique_ptr<Base>clone()constoverride{// 静态断言保证可拷贝构造static_assert(std::is_constructible<Derived,constDerived&>::value,"需要拷贝构造函数");returnstd::make_unique<Derived>(static_cast<constDerived&>(*this));}};structModernRect:Cloneable<ModernRect>{voiddraw()constoverride{}};// ModernRect 已自动获得 clone()

一点说明：static_assert检查（C++11<type_traits>，进阶标注）让「忘了写拷贝构造」在实例化时报错而不是运行时崩。代价是每个子类多一层模板基类，调试栈稍深，团队需熟悉 CRTP。

升级三：注册表 + 工厂合流。把第 5 篇的自注册工厂表搬过来，Maker存「返回原型」而非「直接构造」——工厂每次clone()原型交货，正好把 RG「原型注册表」与「工厂不必每次 new、可返回已有对象」两个说法接通：原型即「被工厂复用的预生成对象」。这套合流在插件架构里尤其常见：宿主只认接口与注册表，插件自带原型注册进来，双方无需链接期共享任何具体类型。

6. 优缺点与适用场景

• ✅ 优点（GoF 后果清单 + RG）：隐藏具体产品类，客户端只认clone()；运行时增减「种类」——注册一个原型即可上线新图形，比其他创建型模式更动态；以变值代替变类——高度动态的系统里，复制一个配置好的对象再微调，比定义新类轻得多；还能显著降低「相似对象反复初始化」的成本（重配置昂贵时克隆现成的）。
• ❌ 缺点：每个类都要正确实现clone()/拷贝构造，深浅拷贝决策随成员结构演化反复回来找你（RG 提醒：克隆关联对象、梳理递归依赖是隐藏工作量）；循环引用的对象图克隆需要格外小心；与 C++ 内建的拷贝构造并存，「两条复制路径」容易让人误用其一（切片 vs 正确克隆）。
• 🎯 适用场景：调用方只有接口、需要多态复制（工具箱、撤销栈快照、缓存模板）；对象初始化昂贵且新对象与某个现成对象高度相似；种类需要在运行时动态增减。能靠clone解决的，就不必为每类建工厂。

「拷贝构造还是 clone」再给一个可操作的判断流程。第一问：副本的使用方知道具体类型吗？知道（同函数、同模块内）用拷贝构造，简洁零成本；不知道（跨接口、跨层传递）必须 clone。第二问：对象图里有多态成员吗？有，则默认拷贝构造只会切基类，必须自定义并逐成员 clone（或改shared_ptr明示共享）。第三问：该类型会被「按名字批量复制」吗？会，就值得补一个原型注册表，让调用方彻底摆脱具体类。三问都是「否」，恭喜你根本不需要原型——模式是给多态复制的问题准备的，不是给「想少写构造函数」准备的。回答完三问再动手，能少写一半本不该存在的克隆代码，也能让留下的那一半经得起成员结构演化的拷问。

〔辨析〕原型 vs 工厂方法（第 5 篇）：RG 的对照最精辟——工厂方法基于继承（子类重写决定造什么）但无需初始化步骤；原型不基于继承（复制即创建）但需要「对被复制对象的复杂初始化」；原型常用来实现抽象工厂里的创建方法。原型 vs 拷贝构造：拷贝构造是静态绑定的内建复制，原型是多态复制——差异只在「编译期已知类型」与否，前者够用就别上后者。

7. 开源项目中的身影

Boost：指针容器把克隆做成了基础设施。boost::ptr_vector<T>等 Boost.PointerContainer 面对的问题正是本文第 1 节的坑：容器存多态裸指针，拷贝容器时必须逐个按真实类型复制。Boost 的方案是自由函数new_clone()/delete_clone()+克隆分配器（Clone Allocator）策略：

// 说明性片段（依赖 Boost，示意）#include<boost/ptr_container/ptr_vector.hpp>boost::ptr_vector<Shape>shapes;shapes.push_back(newCircle());// 容器接管// 拷贝容器：逐个 new_clone，无切片boost::ptr_vector<Shape>copy=shapes;

点评：默认的heap_clone_allocator经 ADL 找到你类型所在名字空间的new_clone(const T&)重载——没有虚函数也实现了多态克隆，代价是忘写重载时报错晦涩（Boost 文档自己都标注了这个编译错误的提示）；view_clone_allocator则切换为「不拥有、不克隆」的视图语义，同一个容器模板两种策略，思路值得收藏。

Protobuf：Clone()是序列化框架的原型标配。Google Protobuf 的Message接口提供virtual Message* Clone() const（新版返回MessageLite），生成的每个消息类各自实现「按字段深拷贝」——收到消息后要分发多份处理、要落盘快照，都是Clone()一下。它示范了原型的工程形态：字段含指针/字符串的深拷贝语义由代码生成器统一保证，人工维护「每个类写对克隆」这个最大风险点被生成器消掉。现代 C++ 工程里「代码生成 + 原型」是常见搭档。

AOSP/图形栈的呼应：GoF 当年点名的 Known Uses（音乐编辑器的图符工具、macintosh 的 MacDraw 类应用）在今天演化为各类「模板对象」体系——Android 的Canvas变换、Chromium 的PaintFilter树都以「复制现成配置好的对象」替代「从零构造」。原型在开源世界的存在感不如工厂 loudly，但只要出现clone()/Copy()/Duplicate()方法名，背后几乎都是它。

本篇小结

多态世界里「复制」不是赋值那么简单：对象切片随时等你，具体类名又常常不在手上。原型模式把克隆动作还给对象自己——clone()虚函数调自己的拷贝构造，协变返回保住精确类型，注册表让「种类」运行时可增减；现代 C++ 再用unique_ptr交货、CRTP 去重、值语义成员交给默认拷贝。经验法则收尾：值语义成员交给默认，多态成员逐个 clone，裸指针成员先还债；编译期已知类型就用拷贝构造，只有接口就上原型。至此创建型五模式集齐，下一篇横向对比五种「造对象」的分工与选择决策树。

本文模式定义、几何图形示例与结构说明参考了 Refactoring Guru《设计模式》中文版「原型」一章，意图译文、运行时增减种类等后果参考了 GoF《Design Patterns》第 3 章 Prototype 一节。