[OO 設計模式] Prototype : 原型模式

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有些物件若以標準的方式建立實例，或者是設定至某個狀態需要複雜的運算及昂貴的資源，則您可以考慮直接以某個物件作為原型，在需要個別該物件時，複製原型並傳回. 
先來看看Prototype的類別圖 : 
 
請注意，在這邊Cloneable並非指Java中的 java.lang.Cloneable，而是指支援原型複製的物件，必須實作之公開協定. 
不 同的語言可能提供不同程度支援之物件複製技術，以Java而言，java.lang.Object本身即定義有clone()方法，因此所有的物件基本上 皆具自我複製之能力，不過真正要讓物件支援複製，則物件必須實作java.lang.Cloneable這個標示介面（Tag interface）. 
下面這個範例示範了，如何使用Java實作Prototype模式（建議您參考：How to avoid traps and correctly override methods from java.lang.Object）： 

- Car.java :

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1. package dp.prototype;  
2.   
3. public class Car implements Cloneable{  
4.     // 也許還有一些複雜的設定  
5.     private Wheel[] wheels;  
6.       
7.     public Car(){  
8.         // Initialize takes time for one second...  
9.         System.out.println("Car constructor: Initialization...");  
10.         try {  
11.             Thread.sleep(1000);  
12.         } catch (InterruptedException e) {  
13.             e.printStackTrace();  
14.         }  
15.         wheels = new Wheel[4];  
16.         for(int i=0; i<4; i++) wheels[i] = new Wheel();  
17.     }  
18.       
19.     protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
20.         Car copy = (Car) super.clone();  
21.         copy.wheels = (Wheel[]) this.wheels.clone();  
22.         for(int i = 0; i < this.wheels.length; i++) {  
23.             copy.wheels[i] = (Wheel) this.wheels[i].clone();  
24.         }  
25.         return copy;   
26.     }  
27.     // 也許還有別的方法  
28. }  

- Wheel.java :

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1. package dp.prototype;  
2.   
3. public class Wheel implements Cloneable{  
4.     public Wheel(){  
5.         // Initialization takes time.  
6.         System.out.println("Wheel Constructor: Initialization...");  
7.         try {  
8.             Thread.sleep(500);  
9.         } catch (InterruptedException e) {            
10.             e.printStackTrace();  
11.         }  
12.     }  
13.     protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {   
14.         return super.clone();   
15.     }   
16. }  

- Cars.java :

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1. package dp.prototype;  
2.   
3. import java.util.HashMap;  
4. import java.util.Map;  
5.   
6. public class Cars {  
7.     private Map prototypes = new HashMap();  
8.     void addPrototype(String brand, Car prototype) {  
9.         prototypes.put(brand, prototype);  
10.     }  
11.     Car getPrototype(String brand) throws CloneNotSupportedException {  
12.         return (Car) prototypes.get(brand).clone();  
13.     }  
14. }  

- Main.java :

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1. package dp.prototype;  
2.   
3. public class Main {  
4.     public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException{  
5.         long bmwST = System.currentTimeMillis();  
6.         System.out.println("Create BMW...");  
7.         Car bmw = new Car();  
8.         System.out.println("taking "+(System.currentTimeMillis()-bmwST)/1000+" sec\n");  
9.         // 作一些 BMW 複雜的初始、設定、有的沒的  
10.           
11.         long benzST = System.currentTimeMillis();  
12.         System.out.print("Create Benz...");  
13.         Car benz = new Car();  
14.         System.out.println("taking "+(System.currentTimeMillis()-benzST)/1000+" sec\n");  
15.         // 作一些 BENZ 複雜的初始、設定、有的沒的  
16.         Cars cars = new Cars();  
17.           
18.           
19.         cars.addPrototype("BMW", bmw);         
20.         cars.addPrototype("BENS", benz);  
21.           
22.         // 取得 BMW 原型複製  
23.         long protoST = System.currentTimeMillis();  
24.         System.out.println("Take Prototype of BMW...");  
25.         Car bmwPrototype = cars.getPrototype("BMW");  
26.         System.out.println("taking "+(System.currentTimeMillis()-protoST)+" ms\n");  
27.     }  
28. }  

執行結果 : 

Create BMW...
Car constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
taking 3 sec

Create Benz...Car constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
Wheel Constructor: Initialization...
taking 3 sec

Take Prototype of BMW...
taking 0 ms // 由輸出結果可以知道透過 prototype 可以省掉Constructor 的 Initialization 時間...

Prototype模式可應用於避免子類化物件創建者（object creator），在 Gof 的設計模式書中有個範例，設計一個通用的圖型編輯器框架。在這個框架中有個工具列，您可以在上面選擇符號以加入圖片中，並可以隨時調整符號的位置等。 
圖型編輯器框架是通用的，然而事先並不知道這些符號的型態，有人或許會想到繼承圖型編輯器框架來為每個符號設計一個框 架子類別，但由於符號的可能種類很多，這會產生相當多的子類別，為了避免這種情況，可以透過Prototype模式來減少子類別的數目，可以設計出以下的 結構. 
 
依照這個結構，圖型編輯器框架可以獨立於要套用的符號類別，雖然不知道被複製傳回的物件型態是什麼，但可以用原型複製的方式來建立新物件，且可以按照 Graphics所定義的公開介面來操作這些物件，例如使用範例中的draw()方法來繪製符號. 

補充說明 : 
* Wiki : Prototype Pattern 

The prototype pattern is a creational design pattern used in software development when the type of objects to create is determined by a prototypical instance, which is cloned to produce new objects. This pattern is used to:

- avoid subclasses of an object creator in the client application, like the abstract factory pattern does.
- avoid the inherent cost of creating a new object in the standard way (e.g., using the 'new' keyword) when it is prohibitively expensive for a given application.

To implement the pattern, declare an abstract base class that specifies a pure virtual clone() method. Any class that needs a "polymorphic constructor" capability derives itself from the abstract base class, and implements the clone() operation.