Prototype

意圖（Intent）#

使用一個原型實例來指定要建立的物件種類，透過複製（clone）此原型來建立新物件。

動機（Motivation）#

假設要為樂譜編輯器建構工具列，框架提供了抽象的 Graphic 類別（代表音符、休止符等圖形元件）與 Tool 類別（代表工具列上的工具），以及一個 GraphicTool 子類別用來建立圖形物件並加入文件。

問題是：GraphicTool 屬於框架，而音符等類別是應用程式特有的。若為每種音符都建立 GraphicTool 的子類別，會產生大量只差在實體化類別的子類別。

解法是讓 GraphicTool 持有一個 prototype——某個 Graphic 子類別的實例。當需要建立新物件時，GraphicTool 複製（clone）這個原型。只要所有 Graphic 子類別都支援 Clone 操作，GraphicTool 就能複製任何 Graphic。

更進一步，全音符和二分音符不一定需要各自的類別——它們可以是同一個 MusicalNote 類別以不同的 bitmap 和 duration 初始化的實例。這大幅減少了系統中的類別數量。

Prototype 模式的核心概念：用物件的複製取代類別的實體化，從而避免建立平行的類別階層，並讓系統在執行時期就能擴展產品種類。

適用場景（Applicability）#

當系統需要獨立於產品的建立方式，且符合下列任一條件：

要實體化的類別在執行時期才指定（如動態載入）
想避免建立與產品階層平行的工廠階層
類別的實例只有少數幾種狀態組合，安裝對應數量的原型並 clone 比每次手動設定更方便

結構（Structure）#

Client 持有 Prototype 的參照。當需要新物件時，Client 要求 Prototype clone 自己。ConcretePrototype 實作 Clone 操作，回傳自身的副本。

classDiagram
    class Prototype {
        <<interface>>
        +Clone()
    }
    class ConcretePrototype1 {
        +Clone()
    }
    class ConcretePrototype2 {
        +Clone()
    }
    class Client {
        +Operation()
    }
    Prototype <|.. ConcretePrototype1
    Prototype <|.. ConcretePrototype2
    Client --> Prototype

參與者（Participants）#

參與者	範例	職責
Prototype	Graphic	宣告 clone 自身的介面
ConcretePrototype	Staff、WholeNote、HalfNote	實作 clone 自身的操作
Client	GraphicTool	透過要求 prototype clone 自身來建立新物件

協作方式（Collaborations）#

Client 要求 prototype clone 自己，取得新物件

優缺點（Consequences）#

優點：

執行時期新增與移除產品 —— 只需向 client 註冊新的原型實例即可引入新產品，比其他 creational pattern 更具彈性
透過改變值來定義新物件 —— 在高度動態的系統中，透過物件組合與屬性值設定（而非定義新類別）來定義新行為。clone 原型近似於實體化類別
透過改變結構來定義新物件 —— 支援複合物件（如電路由子電路組成）的原型化，只要 composite 物件的 Clone 實作 deep copy
減少子類別 —— 不需要平行的 Creator 階層，clone 原型取代 factory method 建立物件
動態載入類別 —— 在 C++ 等靜態語言中，可透過原型管理器讓應用程式使用動態載入的類別

缺點：

每個子類別都必須實作 Clone —— 當既有類別要加入 Clone 支援可能很困難，尤其當物件內部包含不支援複製的物件或有循環參照時

Clone 的實作需要仔細處理淺複製 vs. 深複製的問題。對於包含複雜內部結構的原型，通常需要 deep copy 才能確保 clone 與原型相互獨立。

實作要點（Implementation）#

Prototype Manager（原型管理器） —— 當原型數量不固定時，使用一個關聯式儲存（registry）來管理原型。Client 以 key 查詢並 clone 原型，不需要自行管理原型物件。Client 可在執行時期註冊、移除、瀏覽原型
實作 Clone 操作
- 大多數語言提供基本的複製支援（Smalltalk 的 copy、C++ 的 copy constructor），但需注意 shallow copy vs. deep copy
- 簡單結構用 shallow copy 通常足夠
- 複雜結構需要 deep copy 以確保 clone 與原型獨立
- 可利用 Save/Load 機制實作預設的 Clone——將物件存入記憶體緩衝區再載回
初始化 clone —— 部分 client 需要在 clone 後設定物件的內部狀態。由於 Clone 的參數數量因類別而異，無法在 Clone 操作中傳入。可透過既有的 setter 方法，或引入專用的 Initialize 操作來接受初始化參數

若系統中原型種類會動態變化，務必實作 Prototype Manager。它就像一個型錄（catalog），讓 client 以名稱查詢原型，無需在程式碼中寫死所有原型類別。

已知應用（Known Uses）#

Sketchpad（Ivan Sutherland）—— 可能是 Prototype 模式最早的應用
ThingLab —— 使用者可組合物件並將其升級為原型，放入可重用物件庫
Etgdb（ET++ 的除錯器前端）—— 從全域表中以名稱查詢 DebuggerAdaptor 原型並 clone
Mode Composer —— 將各種互動技術物件存為原型，支援無限的互動技術擴展
Unidraw 繪圖框架

意圖（Intent）#

動機（Motivation）#

適用場景（Applicability）#

結構（Structure）#

參與者（Participants）#

協作方式（Collaborations）#

優缺點（Consequences）#

實作要點（Implementation）#

已知應用（Known Uses）#

相關模式（Related Patterns）#