C# 設計模式無廢話系列（五）：Prototype 原型模式

意圖

用原型實例指定創建對象種類，透過拷貝原型創建新對象。

適用場景

遊戲場景大量相似敵人：技能相同，位置不同導致能力微調。需組 3 步兵 + 1 精英步兵。若為每種能力建子類 → 子類爆炸；且步兵模型初始化極耗時。只建一個原型，複製後微調位置/能力 → Prototype 模式。

完整範例程式碼

using System;
using System.Threading;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;
using System.Diagnostics;

namespace PrototypeExample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Stopwatch sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            Enemy enemyPrototype = new FootMan(5, 4, new Location(100, 200));
            GameScene gs = new GameScene();
            List<Enemy> enemyGroup = gs.CreateEnemyGroup(enemyPrototype);
            foreach (FootMan ft in enemyGroup)
            {
                ft.ShowInfo();
                ft.FootmanAttack();
            }
            Console.WriteLine(sw.ElapsedMilliseconds);
        }
    }
    class GameScene
    {
        public List<Enemy> CreateEnemyGroup(Enemy enemyPrototype)
        {
            var group = new List<Enemy>();
            Enemy e1 = enemyPrototype.Clone(true);
            e1.Location.x = enemyPrototype.Location.x - 10;
            Enemy e2 = enemyPrototype.Clone(true);
            e2.Location.x = enemyPrototype.Location.x + 10;
            Enemy elite = enemyPrototype.Clone(true);
            elite.Power = enemyPrototype.Power * 2;
            elite.Speed = enemyPrototype.Speed * 2;
            elite.Location.x = enemyPrototype.Location.x;
            elite.Location.y = enemyPrototype.Location.y + 10;
            group.Add(e1); group.Add(e2); group.Add(elite);
            return group;
        }
    }
    [Serializable]
    class Location { public int x, y; public Location(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } }
    [Serializable]
    abstract class Enemy
    {
        protected Location location;
        public Location Location { get => location; set => location = value; }
        protected int power;
        public int Power { get => power; set => power = value; }
        protected int speed;
        public int Speed { get => speed; set => speed = value; }
        public abstract Enemy Clone(bool isDeepCopy);
        public abstract void ShowInfo();
        public Enemy(int power, int speed, Location location)
        {
            Thread.Sleep(1000); // 模擬高耗時初始化
            this.power = power; this.speed = speed; this.location = location;
        }
    }
    [Serializable]
    class FootMan : Enemy
    {
        string model = "footman";
        public FootMan(int power, int speed, Location location) : base(power, speed, location) { }
        public override void ShowInfo() => Console.WriteLine($"model:{{0}} power:{{1}} speed:{{2}} location:({{3}},{{4}})", model, power, speed, location.x, location.y);
        public override Enemy Clone(bool isDeepCopy)
        {
            FootMan fm;
            if (isDeepCopy)
            {
                using (var ms = new MemoryStream())
                {
                    var bf = new BinaryFormatter();
                    bf.Serialize(ms, this);
                    ms.Position = 0;
                    fm = (FootMan)bf.Deserialize(ms);
                }
            }
            else fm = (FootMan)MemberwiseClone();
            return fm;
        }
        public void FootmanAttack() => Console.WriteLine("FootmanAttack");
    }
}

程式碼執行結果

程式碼解析

• Enemy：抽象原型，定義屬性（位置/攻擊/速度）、ShowInfo、抽象 Clone。
• FootMan：具體原型，實作參數與克隆。Clone(bool) 參數決定深/淺拷貝：true 用序列化反序列化深拷貝（含引用類型完整複製），false 用 MemberwiseClone 淺拷貝。
• GameScene：調用方，零依賴具體類，透過複製原型並微調生成敵人小隊。
• Prototype 以克隆替代無數子類，減少調用方對具體類依賴。
• 深拷貝必要性：3 敵人共享同一 Location 實例則位置無法分離，故須深拷貝確保獨立。
• 建構子 Thread.Sleep(1000) 模擬耗時初始化；克隆僅耗 1 次初始化時間，體現效能優勢。
• 執行結果：創建 3 敵人總耗時約 1 秒（而非 3 秒），且位置修改互不影響。

何時採用

• 代碼角度：運行時指定具體類、避免耗時初始化、避免 Factory Method 實現多態。
• 應用角度：對象多變化多等級、創建極耗時（計算/網路/資料庫）、想獨立創建細節。

實作要點

• .NET：MemberwiseClone 淺拷貝、序列化反序列化深拷貝（代價較大），視情況選擇。
• 同需抽象與具體類型，透過穩定抽象減少客戶端修改。
• 抽象層次可調整：Enemy 為高層抽象；亦可 FootMan 為抽象、下有普通/手榴彈步兵；Tank 為抽象… 只要對象類型由原型指定、新對象由原型拷貝即為 Prototype。

注意事項

• 謹慎選擇深/淺拷貝。
• 拷貝並修改意味著原型需公開更多數據，現有系統導入 Prototype 修改成本可能較大。