C# 設計模式：原型模式 (Prototype Pattern) 深度解析與實作

簡介

原型模式屬於創建型設計模式，其核心概念是「用原型實例指定創建對象的種類，並通過拷貝這個原型來創建新的對象」。簡單來說，當建立新物件的成本較高（例如複雜的初始化、資料庫查詢、網路請求）時，我們可以透過複製現有的物件（原型）來快速產生新實例，並根據需求修改其屬性。

核心角色

• Prototype (抽象原型)：定義複製自身的介面，通常為 ICloneable。
• ConcretePrototype (具體原型)：實作複製邏輯，分為淺層複製與深層複製。
• Client (客戶端)：透過呼叫原型的複製方法來建立新物件。

實作範例：Message 物件的複製

假設我們有一個 MessageModel 實體類別，包含訊息內容與發布時間。我們將示範如何實作淺層與深層複製。

1. 實體類別 (MessageModel)

using System;

namespace Pattern.Prototype
{
    public class MessageModel
    {
        public string Message { get; set; }
        public DateTime PublishTime { get; set; }

        public MessageModel(string msg, DateTime pt)
        {
            Message = msg;
            PublishTime = pt;
        }
    }
}

2. 淺層複製

淺層複製僅複製值類型欄位，參考類型仍指向同一個記憶體位址。C# 透過 MemberwiseClone() 實作。

using System;

namespace Pattern.Prototype
{
    public class ShallowCopy : ICloneable
    {
        public MessageModel MessageModel { get; set; }

        public object Clone()
        {
            return this.MemberwiseClone(); // 淺層複製
        }
    }
}

3. 深層複製

深層複製會遞迴複製參考類型的物件，確保新舊物件完全獨立。這裡我們在 Clone() 中手動建立新的 MessageModel。

using System;

namespace Pattern.Prototype
{
    public class DeepCopy : ICloneable
    {
        public MessageModel MessageModel { get; set; }

        public DeepCopy() { }

        public DeepCopy(MessageModel mm)
        {
            MessageModel = mm;
        }

        public object Clone()
        {
            // 建立全新的 MessageModel 實例，達成深層複製
            return new DeepCopy(new MessageModel(MessageModel.Message, MessageModel.PublishTime));
        }
    }
}

4. 客戶端測試

using System;
using System.Web.UI;
using Pattern.Prototype;

public partial class Prototype : Page
{
    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        Response.Write("ShallowCopy 演示：<br />");
        ShowShallowCopy();

        Response.Write("DeepCopy 演示：<br />");
        ShowDeepCopy();
    }

    private void ShowShallowCopy()
    {
        var sc = new ShallowCopy { MessageModel = new MessageModel("ShallowCopy", DateTime.Now) };
        var sc2 = (ShallowCopy)sc.Clone();

        Response.Write(sc.MessageModel.Message + "<br />");
        Response.Write(sc2.MessageModel.Message + "<br />");

        // 修改原物件，淺層複製的副本也會受影響
        sc.MessageModel.Message = "ShallowCopyShallowCopy";

        Response.Write(sc.MessageModel.Message + "<br />");
        Response.Write(sc2.MessageModel.Message + "<br />");
    }

    private void ShowDeepCopy()
    {
        var dc = new DeepCopy { MessageModel = new MessageModel("DeepCopy", DateTime.Now) };
        var dc2 = (DeepCopy)dc.Clone();

        Response.Write(dc.MessageModel.Message + "<br />");
        Response.Write(dc2.MessageModel.Message + "<br />");

        // 修改原物件，深層複製的副本不受影響
        dc.MessageModel.Message = "DeepCopyDeepCopy";

        Response.Write(dc.MessageModel.Message + "<br />");
        Response.Write(dc2.MessageModel.Message + "<br />");
    }
}

執行結果對比

淺層複製

ShallowCopy
ShallowCopy
ShallowCopyShallowCopy
ShallowCopyShallowCopy  <-- 副本也被修改了

深層複製

DeepCopy
DeepCopy
DeepCopyDeepCopy
DeepCopy  <-- 副本保持原狀

關鍵差異總結

結語

原型模式在 C# 中透過 ICloneable 介面輕鬆實作。選擇淺層或深層複製取決於業務需求：若複製後的物件不需獨立修改巢狀物件，淺層複製效能較佳；反之，深層複製能確保物件圖的完全隔離。實務上也可考慮序列化反序列化 (如 JSON、Binary) 來達成通用的深層複製。

參考資料：DoFactory Prototype Pattern