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原型模式的定义
“使用原型实例指定创建对象的种类,并通过复制这个原型创建新的对象”。最初的定义出现于《设计模式》(Addison-Wesley,1994)。
简单来理解就是根据这个原型创建新的对象,而且不需要知道任何创建的细节。打个比方,以前生物课上面,有一个知识点叫细胞分裂,细胞在一定条件下,由一个分裂成2个,再由2个分裂成4个……,分裂出来的细胞基于原始的细胞(原型),这个原始的细胞决定了分裂出来的细胞的组成结构。这种分裂过程,可以理解为原型模式。
结构图
从上图可以看到,Prototype类中包括一个clone方法,Client调用其拷贝方法clone即可得到实例,不需要手工去创建实例。ConcretePrototype1和ConcretePrototype2为Prototype的子类,实现自身的clone方法,如果Client调用ConcretePrototype1的clone方法,将返回ConcretePrototype1的实例。
浅复制与深复制
- 浅复制:只复制了指针值,并没有复制指针指向的资源(即没有创建指针指向资源的副本),复制后原有指针和新指针共享同一块内存。
- 深复制:不仅复制了指针值,还复制了指针指向的资源。
下面的示意图左边为浅复制,右边为深复制。
Cocoa Touch框架为NSObject的派生类提供了实现深复制的协议,即NSCopying协议,提供深复制的NSObject子类,需要实现NSCopying协议的方法(id)copyWithZone:(NSZone *)zone。NSObject有一个实例方法(id)copy,这个方法默认调用了[self copyWithZone:nil],对于引用了NSCopying协议的子类,必须实现(id)copyWithZone:(NSZone *)zone方法,否则将引发异常,异常信息如下:
*** Terminating app due to uncaught exception ‘NSInvalidArgumentException’, reason: ‘-[Prototype copyWithZone:]: unrecognized selector sent to instance 0x100114d50’
原型模式的示例
新建Prototype类,Prototype.h如下:
1 @interface Prototype : NSObject<NSCopying> 2 3 //设置一个属性,用来检测复制的变化 4 5 @property(nonatomic, strong) NSString *name; 6 7 @end
实现深复制,Prototype.m文件如下:
1 #import "Prototype.h" 2 3 @implementation Prototype 4 5 - (id)init 6 7 { 8 9 if (self = [superinit]) 10 11 { 12 13 //初始化Prototype类时,将name设置如下 14 15 self.name = @"My name is Prototype"; 16 17 } 18 19 returnself; 20 21 } 22 23 //实现NSCopying中的方法 24 25 - (id)copyWithZone:(NSZone *)zone 26 27 { 28 29 //调用allocWithZone方法,复制一个新对象 30 31 return [[[selfclass] allocWithZone:zone] init]; 32 33 } 34 35 @end
测试代码如下:
1 // 创建Prototype实例 prototype 2 3 Prototype *prototype = [[Prototypealloc] init]; 4 5 // 通过prototype深复制出一个新的对象prototypeCopy 6 7 Prototype *prototypeDeepCopy = [prototype copy]; 8 9 // 通过prototype直接赋值,其实就是复制了指针(可以理解为取了个别名),属于浅复制,引用计数不变 10 11 Prototype *prototypeShallowCopy = prototype; 12 13 // 打印 14 15 NSLog(@"修改前========"); 16 17 NSLog(@"原始对象:%p,%@",prototype, prototype.name); 18 19 NSLog(@"浅复制对象:%p,%@",prototypeShallowCopy, prototypeShallowCopy.name); 20 21 NSLog(@"深复制对象:%p,%@",prototypeDeepCopy,prototypeDeepCopy.name); 22 23 prototype.name = @"My name is new Prototype"; 24 25 // 打印 26 27 NSLog(@"修改后========"); 28 29 NSLog(@"原始对象:%p,%@",prototype, prototype.name); 30 31 NSLog(@"浅复制对象:%p,%@",prototypeShallowCopy, prototypeShallowCopy.name); 32 33 NSLog(@"深复制对象:%p,%@",prototypeDeepCopy,prototypeDeepCopy.name);
输出结果如下(省略时间及项目名):
修改前========
原始对象:0x1001143f0,My name is Prototype
浅复制对象:0x1001143f0,My name is Prototype
深复制对象:0x1001155a0,My name is Prototype
修改后========
原始对象:0x1001143f0,My name is new Prototype
浅复制对象:0x1001143f0,My name is new Prototype
深复制对象:0x1001155a0,My name is Prototype
【结论】:
- 我们使用copyWithZone:(NSZone *)zone方法实现了深复制,通过copy方法(该方法默认调用copyWithZone方法)复制得到prototypeDeepCopy,从输出结果来看,内存地址与prototype是不一样的,另外深复制得到prototypeDeepCopy后,修改prototype的name,对prototypeDeepCopy的name值没有影响,可判断为深复制;
- 使用直接赋值得到的prototypeShallowCopy,内存地址与prototype一样,只是简单的指针复制,另外从修改了prototype的name值同时也影响了prototypeShallowCopy的name值也可以看出,这种为浅复制。
【说明】:大家看完这个例子,可能感觉怎么和原型模式的结构图不太一样?实际上是一样的,这里的Prototype类相当于是结构图里面的ConcretePrototype,NSCopying相当于是结构图里面的Prototype。
assign、copy 和retain
我们还是通过一个示例来说明这三者的区别,定义一个类,类里面只有三个属性,如下所示:
1 @interface Test : NSObject 2 3 4 5 @property (nonatomic, copy)NSMutableString *strName; 6 7 @property (nonatomic, assign)NSMutableString *strName1; 8 9 @property (nonatomic, retain)NSMutableString *strName2;
调用代码:
1 Test *t = [[Testalloc] init]; 2 3 NSMutableString *strTest = [[NSMutableStringalloc] initWithString:@"abc"]; 4 5 NSLog(@"strTest retainCount:%ld strTest:%p %@",[strTest retainCount],strTest,strTest); 6 7 t.strName1 = strTest; // assign 8 9 NSLog(@"after assign: strTest retainCount:%ld t.strName1:%p %@ ",[strTest retainCount],t.strName1,t.strName1); 10 11 t.strName = strTest; // copy 12 13 NSLog(@"after copy: strTest retainCount:%ld t.strName:%p %@ ",[strTest retainCount],t.strName,t.strName); 14 15 t.strName2 = strTest; // retain 16 17 NSLog(@"after retain: strTest retainCount:%ld t.strName2:%p %@ ",[strTest retainCount],t.strName2,t.strName2);
输出结果如下所示(省略时间及项目名):
start: strTest retainCount:1 strTest:0x1001157f0 abc
after assign: strTest retainCount:1 t.strName1:0x1001157f0 abc
after copy: strTest retainCount:1 t.strName:0x100400460 abc
after retain: strTest retainCount:2 t.strName2:0x1001157f0 abc
首先,咱们分析一下这行代码:NSMutableString *strTest = [[NSMutableStringalloc] initWithString:@”abc”];这行代码实际上进行了两个操作:
- 在栈上分配一段内存用来存储strTest,比如地址为0xAAAA,内容为0x1001157f0;
- 在堆上分配一段内存用来存储@”abc”,地址为0x1001157f0,内容为abc。
现在,咱们针对刚才示例的输出结果来分别对assign、copy和retain进行说明:
assign:默认值,应用assign后,t.strName1和strTest具有相同的内容0x1001157f0,并且retainCount没有增加,可以理解t.strName1是strTest的别名;
copy:应用copy后,会在堆上重新分配一段内存来存储@”abc”,地址为0x100400460,同时也会在栈上分配一段内存用来存储t.strName,比如地址为0xBBBB,内容为0x100400460,这时strTest管理0x1001157f0这段内存;t.strName管理0x100400460这段内存。t.strName和strTest的retainCount均为1。
retain:应用retain后,可以看到retainCount增加了1,说明在栈上重新分配了一段内存来存储t.strName2,比如地址为0xCCCC,内容为0x1001157f0。此时,strTest和t.strName2共同管理0x1001157f0这段内存。
想必这样介绍完,大家对于这三个属性应该是了解的比较清楚了。这里再顺便说一下atomic和nonatomic,这两个属性用来决定编译器生成的getter和setter是否为原子操作。
atomic:默认值,提供多线程安全。在多线程环境下,原子操作是必要的,否则有可能引起错误的结果。加了atomic,setter函数在操作前会加锁。
nonatomic:禁用多线程的变量保护,提高性能。
atomic是OC中使用的一种线程保护技术,用来防止在写操作未完成的时候被另外一个线程读取,造成数据错误。但是这种机制是耗费系统资源的,所以如果没有使用多线程的通讯编程,那么nonatomic是一个非常好的选择。
【小思考】:将本示例中的所有NSMutableString替换成NSString后,结果是不一样的,大家可以试验一下,然后思考这是为什么?(答案在下一小节会有解说)
IOS中的深复制
像NSString、NSDictionary这些类,本身已经实现了copyWithZone:(NSZone *)zone方法,直接使用如[NSString copy]调用即可。在复制后得到的副本,又可以分为可变副本(mutable copy)和不可变副本(immutable copy)。通常在NSCopying协议规定的方法copyWithZone中返回不可变副本,在NSMutableCopying协议规定的方法mutableCopyWithZone中返回可变副本,然后调用copy和mutableCopy方法来得到相应的不可变和可变副本。
NSString类已经遵循NSCopying协议及NSMutableCopying协议,下面还是通过示例来进行测试。
示例一:
1 NSString *strSource = [NSStringstringWithFormat:@"I am %@",@"ligf"]; 2 3 // 使用copy方法,strSource和strCopy内存地址一致,strSource引用计数加1 4 5 NSString *strCopy = [strSource copy]; 6 7 NSLog(@"原始字符串:%p,%@",strSource,strSource); 8 9 NSLog(@"复制字符串:%p,%@",strCopy,strCopy);
输出结果:
原始字符串:0x1001156c0,I am ligf
复制字符串:0x1001156c0,I am ligf
【结论】:
由[strSource copy]得到的strCopy,两者内存地址一致,由于copy返回的是不可变副本,系统只生成一份内存资源,此时的copy只是浅复制,和retain作用一样。(上一小节小思考里面留下的问题就是这个原因)
示例二:
1 NSString *strSource = [NSStringstringWithFormat:@"I am %@",@"ligf"]; 2 3 // 使用mutableCopy方法,strSource和strCopy内存地址不一致,两者的引用计数均为1 4 5 NSString *strCopy = [strSource mutableCopy]; 6 7 NSLog(@"原始字符串:%p,%@",strSource,strSource); 8 9 NSLog(@"复制字符串:%p,%@",strCopy,strCopy);
输出结果:
原始字符串:0x1001156c0,I am ligf
复制字符串:0x100114fb0,I am ligf
【结论】:
由[strSource mutableCopy]得到的strCopy,两者内存地址不一致,由于mutableCopy返回的是可变副本,系统生成了新的内存资源,此时的mutableCopy是深复制。
【示例三】:
1 NSMutableString *strSource = [NSMutableStringstringWithFormat:@"I am %@",@"ligf"]; 2 3 // NSMutableString使用copy方法,strSource和strCopy内存地址不一致,两者的引用计数均为1 4 5 NSMutableString *strCopy = [strSource copy]; 6 7 NSLog(@"原始字符串:%p,%@",strSource,strSource); 8 9 NSLog(@"复制字符串:%p,%@",strCopy,strCopy); 10 11 [strCopy appendString:@"hello"];
输出结果:
原始字符串:0x100115470,I am ligf
复制字符串:0x100115690,I am ligf
*** Terminating app due to uncaught exception ‘NSInvalidArgumentException’, reason: ‘Attempt to mutate immutable object with appendString:’
【结论】:
由[strSource copy]得到的strCopy,两者内存地址不一致,即是copy对NSMutableString类型进行了深复制,当尝试修改strCopy里面的值时,发现报错了,无法修改,可以确定副本strCopy是不可变副本。
【总的结论】:
对于系统中已经实现的同时支持NSCopying协议和NSMutableCopying协议的NSString、NSDictionary等,copy总是返回不可变副本,mutableCopy总是返回可变副本。
何时用原型模式
- 需要创建的对象应独立于其类型与创建方式。
- 要实例化的类是在运行时决定的。
- 不想要与产品层次相对应的工厂层次。
- 不同类的实例间的差异仅是状态的若干组合。因此复制相应数量的原型比手工实例化更加方便。
- 类不容易创建,比如每个组件可以把其他组件作为子节点的组合对象。复制已有的组合对象并对副本进行修改会更加容易。
以下两种特别常见的情形,我们会想到用原型模式:
- 有很多的相关的类,其行为略有不同,而且主要差异在于内部属性,如名称等;
- 需要使用组合(树)对象作为其他对象的基础,比如,使用组合对象作为组件来构建另一个组合对象。
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