IOS设计模式浅析之原型模式(Prototype)

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IOS设计模式浅析之原型模式(Prototype)

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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……,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。ConcretePrototype1ConcretePrototype2Prototype的子类,实现自身的clone方法,如果Client调用ConcretePrototype1clone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 *)zoneNSObject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:

复制代码
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
复制代码

  实现深复制,Prototype.m文件如下:

复制代码
 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
复制代码

  测试代码如下:

复制代码
 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);
复制代码

  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prototypename,对prototypeDeepCopyname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prototypename值同时也影响了prototypeShallowCopyname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ConcretePrototypeNSCopying相当于是结构图里面的Prototype

  下载源码

assigncopy 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:

复制代码
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;
复制代码

  调用代码:

复制代码
 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);
复制代码

  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assigncopyretain进行说明:

  assign:默认值,应用assign后,t.strName1strTest具有相同的内容0x1001157f0,并且retainCount没有增加,可以理解t.strName1strTest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.strNamestrTestretainCount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,strTestt.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atomicnonatomic,这两个属性用来决定编译器生成的gettersetter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atomicsetter函数在操作前会加锁。

  nonatomic:禁用多线程的变量保护,提高性能。

  atomicOC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)

  下载源码

IOS中的深复制

  像NSStringNSDictionary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copymutableCopy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:

复制代码
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);
复制代码

  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:

复制代码
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);
复制代码

  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】:

复制代码
 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"];
复制代码

  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copyNSMutableString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NSStringNSDictionary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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