Unity 设计模式-原型模式（Prototype Pattern）详解

原型模式 (Prototype Pattern)

原型模式 (Prototype Pattern) 是一种创建型设计模式，它允许通过复制现有的对象来创建新对象，而不是通过直接实例化类。这意味着你可以通过克隆原型对象来生成新的实例，而不必依赖类的构造函数。该模式的核心思想是，通过创建一个对象的副本（即原型）来避免昂贵的初始化操作。

在 C# 中，通常通过实现 ICloneable 接口或者自定义的克隆方法来实现原型模式。

1、原型模式的原理
原型模式的工作原理是：

定义一个原型接口或基类，用来提供克隆的方法（如 Clone）。
具体的类实现该接口，提供自己的克隆方法，该方法返回当前对象的深拷贝或浅拷贝。
客户端可以通过克隆原型对象来创建新对象，而无需知道如何构造对象。
拷贝的类型可以分为：

  • 浅拷贝 (Shallow Copy)：只复制对象的基本数据类型，对于引用类型的字段，只复制引用地址。
  • 深拷贝 (Deep Copy)：不仅复制对象的所有值，还递归地复制所有引用对象，创建独立的副本。

2、什么时候使用原型模式

  • 需要频繁创建相似对象时：如果系统需要创建大量相似或结构复杂的对象时，通过克隆原型对象来生成新对象可以提高性能。
  • 对象的创建代价高昂时：如果对象的初始化非常复杂，包含很多属性设置或涉及昂贵的资源操作（如网络连接、文件系统操作），使用原型模式避免了重复创建过程。
  • 避免对象过多的子类化：当不希望为了创建新对象而引入更多的子类或扩展类时，原型模式可以避免通过继承创建不同类型对象的繁琐过程。
  • 需要保存对象的历史状态或备份时：如果需要将某个对象的状态备份或在某个时刻进行复制（如撤销操作、快照功能），可以通过原型模式来克隆对象。

3、使用原型模式的好处

  • 提高对象创建效率：对于某些对象的创建过程非常复杂或耗时时，通过克隆现有对象（即原型）可以避免重复的复杂初始化，节省时间和资源。
  • 原型模式向客户隐藏了创建新实例的复杂性
  • 原型模式允许动态增加或较少产品类。
  • 原型模式简化了实例的创建结构，工厂方法模式需要有一个与产品类等级结构相同的等级结构，而原型模式不需要这样。
  • 产品类不需要事先确定产品的等级结构，因为原型模式适用于任何的等级结构

4、使用原型模式的注意事项
克隆的深浅拷贝：对于引用类型字段，使用浅拷贝时需要特别小心，浅拷贝只复制引用，而不复制对象本身，可能导致两个对象共用同一份数据。若需要完全独立的对象，必须使用深拷贝。

复杂对象的克隆：当对象包含复杂的嵌套结构或其他依赖时，确保实现合适的深拷贝逻辑，否则可能会出现数据共享或数据覆盖问题。

性能考虑：尽管原型模式避免了对象的重复构造，但深拷贝可能引入较大的性能开销，特别是在对象嵌套复杂时。因此，在性能敏感的场景下要慎重考虑深拷贝的实现。

原型的可变性：当通过原型模式创建对象时，如果不慎修改了原型本身的状态，所有基于该原型创建的对象也可能受到影响。因此在设计时，需要确保原型对象的状态是安全的。

总之，原型模式 通过复制现有对象来生成新对象，避免了类构造的开销，特别适用于对象创建代价高昂或需要动态创建对象的场景。它提供了灵活的对象创建方式，减少了类的复杂性和耦合度。使用时需要根据具体需求选择浅拷贝或深拷贝，并确保对象的可复制性和独立性。

在 Unity 中使用 原型模式

在 Unity 中，原型模式可以应用于场景中需要频繁生成的对象，比如 3D 模型（如立方体、球体等）。通过原型模式，我们可以避免每次都从头实例化对象，而是通过复制现有的对象来创建新的实例。

我们将创建几个简单的原型模式应用

  • 用于克隆 Unity 中的 3D 对象（立方体、球体等），并根据用户输入生成多个克隆对象。

步骤：

  1. 创建一个基类 ShapePrototype，它提供克隆接口。
  2. 创建不同的形状类，如立方体和球体，继承自 ShapePrototype。
  3. 使用原型模式通过克隆现有对象来创建新对象，而不是直接创建新对象。

1.定义基类 ShapePrototype

using UnityEngine;
 
// 定义一个抽象的原型基类
public abstract class ShapePrototype : MonoBehaviour
{
    // 定义一个抽象的克隆方法
    public abstract ShapePrototype Clone();
 
    // 通用的显示形状信息的方法
    public abstract void DisplayInfo();
}

2.创建具体的形状类

2.1立方体类

using UnityEngine;
 
public class Cube : ShapePrototype
{
    // 重写克隆方法
    public override ShapePrototype Clone()
    {
        // 实现浅拷贝，复制当前对象的属性
        GameObject clone = Instantiate(this.gameObject);
        return clone.GetComponent<ShapePrototype>();
    }
 
    public override void DisplayInfo()
    {
        Debug.Log("This is a Cube.");
    }
}

2.2球体类

using UnityEngine;
 
public class Sphere : ShapePrototype
{
    // 重写克隆方法
    public override ShapePrototype Clone()
    {
        // 实现浅拷贝，复制当前对象的属性
        GameObject clone = Instantiate(this.gameObject);
        return clone.GetComponent<ShapePrototype>();
    }
 
    public override void DisplayInfo()
    {
        Debug.Log("This is a Sphere.");
    }
}

3.创建ShapeSpawner 负责克隆对象

using UnityEngine;
 
public class ShapeSpawner : MonoBehaviour
{
    public ShapePrototype cubePrototype;   // 立方体原型
    public ShapePrototype spherePrototype; // 球体原型
 
    private void Update()
    {
        // 按下 C 键克隆立方体
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.C))
        {
            ShapePrototype cubeClone = cubePrototype.Clone();
            cubeClone.transform.position = new Vector3(Random.Range(-5, 5), 1, Random.Range(-5, 5));
            cubeClone.DisplayInfo();
        }
 
        // 按下 S 键克隆球体
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.S))
        {
            ShapePrototype sphereClone = spherePrototype.Clone();
            sphereClone.transform.position = new Vector3(Random.Range(-5, 5), 1, Random.Range(-5, 5));
            sphereClone.DisplayInfo();
        }
    }
}

4.设置场景中的原型对象

  • 创建一个 Unity 场景，并添加一个空物体 ShapeSpawner，将上面的 ShapeSpawner 脚本挂载到该物体上。
  • 在场景中创建一个立方体和一个球体，并将它们的 Cube 和 Sphere 脚本分别挂载到立方体和球体上。
  • 在 ShapeSpawner 脚本的 cubePrototype 和 spherePrototype 变量中，分别拖拽场景中的立方体和球体作为原型对象。

5.输出查看结果

这种模式在 Unity 的游戏开发中非常适合用于生成大量相似对象（如敌人、物品、特效等）。

  • 克隆一个新对象，然后将当前对象非静态字段克隆到该新对象

1.定义基类 Prototype

public abstract class Prototype
{
    private string id;
 
    public Prototype(string id)
    {
        this.id = id;
    }
    public string Id
    {
        get { return id; }
    }
    //抽象类关键有这样一个Clone方法
    public abstract Prototype Clone();
}

2.创建具体原型ConcretePrototypel类

class ConcretePrototypel : Prototype
{
    public ConcretePrototypel(string id) : base(id) { }
    public override Prototype Clone()
    {
        //创建一个新对象，然后将当前对象非静态字段复制到该新对象
        //如果字段是值类型，则逐位复制字段，引用类型只复制引用地址
        return (Prototype)this.MemberwiseClone();
    }
}

3.创建main脚本负责克隆对象

class Main : MonoBehaviour
{
    private void Start()
    {
        ConcretePrototypel pl = new ConcretePrototypel("I");
        ConcretePrototypel cl = (ConcretePrototypel)pl.Clone();
        Debug.Log("clone" + cl.Id);
 
    }
}

4.输出查看结果

由于克隆实在太常用，.Net在System命名空间提供了IClone接口，唯一的Clone()方法，只要实现这个接口就可以完成原型模式了。

  • 简历类，用于克隆 Unity 中的 个人信息

1.创建简历基础脚本

class Resume : ICloneable
{
    private string name;
    private string sex;
    private string age;
    private string timearea;
    private string company;
 
    public Resume(string name)
    {
        this.name = name;
    }
 
    //设置个人信息
    public void SetPersonalInfo(string sex,string age)
    {
        this.sex = sex;
        this.age = age;
    }
 
    //设置工作经历
    public void SetWorkExperrience(string timeArea,string company)
    {
        this.timearea = timeArea;
        this.company = company;
    }
 
    //显示
    public void Display()
    {
        //实现接口方法，克隆对象
        Debug.Log(name + " " + sex + " " + age);
        Debug.Log(timearea + " " + company);
    }
    public object Clone()
    {
        return (object)this.MemberwiseClone();
    }
}

2.克隆新简历，并修改简历中的个人信息

class Main : MonoBehaviour
{
    private void Start()
    {
        Resume a = new Resume("DJ");
        a.SetPersonalInfo("男", "22");
        a.SetWorkExperrience("1995-2022", "DJDJ");
 
        //调用克隆方法就可以实现新简历，并且可以修改新简历细节
        Resume b = (Resume)a.Clone();
        b.SetPersonalInfo("nv", "20");
 
        Resume c = (Resume)a.Clone();
        c.SetWorkExperrience("1999-2222", "JJJJ");
 
        a.Display();
        b.Display(); 
        c.Display();
    }
}

3.输出查看结果

现实设计当中，一般会再有一个“工作经历”类，当中有“时间区间”和“公司名称”等属性，“简历”类直接调用。

class Resume : ICloneable
{
    private string name;
    private string sex;
    private string age;
    private WorkExperience work;///引用“工作经历”对象
 
    public Resume(string name)
    {
        this.name = name;
        work = new WorkExperience();//简历实例化同时实例化工作经历
    }
    
    public void SetPersonalInfo(string sex,string age)
    {
        this.sex = sex;
        this.age = age;
    }
    
    public void SetWorkExperrience(string workDate,string company)
    {
        work.WorkDate = workDate;//调用方法，给对象赋值
        work.Company = company;
    }
    
    public void Display()
    {
        
        Debug.Log(name + " " + sex + " " + age);
        Debug.Log(work.WorkDate + " " + work.Company);//显示工作经历属性值
    }
    public object Clone()
    {
        return (object)this.MemberwiseClone();
    }
}
class WorkExperience
{
    private string workDate;
    public string WorkDate
    {
        get { return workDate; }
        set { workDate = value; }
    }
    private string company;
    public string Company
    {
        get { return company; }
        set { company = value; }
    }
}

使用之前的客户端逻辑，输出查看结果

对于引用类型，克隆后没有实现真正的克隆，而是只克隆了引用地址，这叫做“浅复制”，被复制对象的所有变量都含有与原来的对象相同的值;而所有的对其他对象的引用都仍然指向原来的对象。

深复制把引用对象的变量指向复制过的新对象，而不是原有的被引用的对象。

深复制流程：

1.首先修改WorkExperience类，增加克隆方法

class WorkExperience
{
    private string workDate;
    public string WorkDate
    {
        get { return workDate; }
        set { workDate = value; }
    }
    private string company;
    public string Company
    {
        get { return company; }
        set { company = value; }
    }
    public object Clone()
    {
        //工作经历类也实现克隆方法
        return (object)MemberwiseClone();
    }
}

2.然后修改简历类，新增构造函数，方便克隆工作经历类，再修改简历类的克隆方法

class Resume : ICloneable
{
    private string name;
    private string sex;
    private string age;
    private WorkExperience work;
 
    public Resume(string name)
    {
        this.name = name;
        work = new WorkExperience();
    }
    //提供Clone方法调用的私有构造函数，以便克隆工作经历数据
    public Resume(WorkExperience work)
    {
        this.work = (WorkExperience)work.Clone();
    }
    public void SetPersonalInfo(string sex,string age)
    {
        this.sex = sex;
        this.age = age;
    }
    public void SetWorkExperrience(string workDate,string company)
    {
        work.WorkDate = workDate;
        work.Company = company;
    }
    public void Display()
    {
        Debug.Log(name + " " + sex + " " + age);
        Debug.Log(work.WorkDate + " " + work.Company);
    }
 
    //调用私有构造方法，让工作经历克隆，然后再给新对象其他字段赋值
    //最终返回一个深复制的简历对象
    public object Clone()
    {
        Resume obj = new Resume(this.work);
        obj.name = this.name;
        obj.sex = this.sex; 
        obj.age = this.age;
        return obj;
    }
}

3.输出查看结果

今天是2024年11月24日

重复一段毒鸡汤来勉励我和你

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