IOS設計模式淺析之原型模式(Prototype)

原型模式的定義                                                                                        

　　“使用原型實例指定創建對象的種類，並通過復制這個原型創建新的對象”。最初的定義出現於《設計模式》(Addison-Wesley,1994)。

　　簡單來理解就是根據這個原型創建新的對象，而且不需要知道任何創建的細節。打個比方，以前生物課上面，有一個知識點叫細胞分裂，細胞在一定條件下，由一個分裂成2個，再由2個分裂成4個……,分裂出來的細胞基於原始的細胞(原型)，這個原始的細胞決定了分裂出來的細胞的組成結構。這種分裂過程，可以理解為原型模式。

結構圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

 

　　從上圖可以看到，Prototype類中包括一個clone方法，Client調用其拷貝方法clone即可得到實例，不需要手工去創建實例。ConcretePrototype1和ConcretePrototype2為Prototype的子類，實現自身的clone方法，如果Client調用ConcretePrototype1的clone方法，將返回ConcretePrototype1的實例。

淺復制與深復制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

• 淺復制：只復制了指針值，並沒有復制指針指向的資源(即沒有創建指針指向資源的副本)，復制后原有指針和新指針共享同一塊內存。
• 深復制：不僅復制了指針值，還復制了指針指向的資源。

　　下面的示意圖左邊為淺復制，右邊為深復制。

 

　　Cocoa Touch框架為NSObject的派生類提供了實現深復制的協議，即NSCopying協議，提供深復制的NSObject子類，需要實現NSCopying協議的方法(id)copyWithZone:(NSZone *)zone。NSObject有一個實例方法(id)copy，這個方法默認調用了[self copyWithZone:nil]，對於引用了NSCopying協議的子類，必須實現(id)copyWithZone:(NSZone *)zone方法，否則將引發異常，異常信息如下：

*** 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類，Prototype.h如下：

@interface Prototype : NSObject<NSCopying>

//設置一個屬性，用來檢測復制的變化

@property(nonatomic, strong) NSString *name;

@end

　　實現深復制，Prototype.m文件如下：

#import "Prototype.h"

@implementation Prototype

- (id)init

{

    if (self = [superinit])

    {

        //初始化Prototype類時，將name設置如下

        self.name = @"My name is Prototype";

    } 

    returnself;

}

//實現NSCopying中的方法

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone

{

    //調用allocWithZone方法，復制一個新對象

    return [[[selfclass] allocWithZone:zone] init];

}

@end

　　測試代碼如下：

        // 創建Prototype實例 prototype

        Prototype *prototype = [[Prototypealloc] init];

        // 通過prototype深復制出一個新的對象prototypeCopy

        Prototype *prototypeDeepCopy = [prototype copy];

        // 通過prototype直接賦值，其實就是復制了指針(可以理解為取了個別名)，屬於淺復制，引用計數不變

        Prototype *prototypeShallowCopy = prototype;

        // 打印

        NSLog(@"修改前========");

        NSLog(@"原始對象:%p,%@",prototype, prototype.name);

        NSLog(@"淺復制對象:%p,%@",prototypeShallowCopy, prototypeShallowCopy.name);

        NSLog(@"深復制對象:%p,%@",prototypeDeepCopy,prototypeDeepCopy.name);

        prototype.name = @"My name is new Prototype";

        // 打印

        NSLog(@"修改后========");

        NSLog(@"原始對象:%p,%@",prototype, prototype.name);

        NSLog(@"淺復制對象:%p,%@",prototypeShallowCopy, prototypeShallowCopy.name);

        NSLog(@"深復制對象:%p,%@",prototypeDeepCopy,prototypeDeepCopy.name);

　　輸出結果如下（省略時間及項目名）：

修改前========

原始對象:0x1001143f0,My name is Prototype

淺復制對象:0x1001143f0,My name is Prototype

深復制對象:0x1001155a0,My name is Prototype

修改后========

原始對象:0x1001143f0,My name is new Prototype

淺復制對象:0x1001143f0,My name is new Prototype

深復制對象:0x1001155a0,My name is Prototype

　　【結論】：

• 我們使用copyWithZone:(NSZone *)zone方法實現了深復制，通過copy方法(該方法默認調用copyWithZone方法)復制得到prototypeDeepCopy，從輸出結果來看，內存地址與prototype是不一樣的，另外深復制得到prototypeDeepCopy后，修改prototype的name，對prototypeDeepCopy的name值沒有影響，可判斷為深復制；
• 使用直接賦值得到的prototypeShallowCopy，內存地址與prototype一樣，只是簡單的指針復制，另外從修改了prototype的name值同時也影響了prototypeShallowCopy的name值也可以看出，這種為淺復制。

　　【說明】：大家看完這個例子，可能感覺怎么和原型模式的結構圖不太一樣？實際上是一樣的，這里的Prototype類相當於是結構圖里面的ConcretePrototype，NSCopying相當於是結構圖里面的Prototype。

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assign、copy 和retain　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

　　我們還是通過一個示例來說明這三者的區別，定義一個類，類里面只有三個屬性，如下所示：

@interface Test : NSObject

 

@property (nonatomic, copy)NSMutableString *strName;

@property (nonatomic, assign)NSMutableString *strName1;

@property (nonatomic, retain)NSMutableString *strName2;

　　調用代碼：

        Test *t = [[Testalloc] init];

        NSMutableString *strTest = [[NSMutableStringalloc] initWithString:@"abc"];

        NSLog(@"strTest retainCount:%ld strTest:%p %@",[strTest retainCount],strTest,strTest);

        t.strName1 = strTest;  // assign

        NSLog(@"after assign:  strTest retainCount:%ld t.strName1:%p %@ ",[strTest retainCount],t.strName1,t.strName1);

        t.strName = strTest;  // copy

        NSLog(@"after copy:  strTest retainCount:%ld t.strName:%p %@ ",[strTest retainCount],t.strName,t.strName);

        t.strName2 = strTest;  // retain

        NSLog(@"after retain:  strTest retainCount:%ld t.strName2:%p %@ ",[strTest retainCount],t.strName2,t.strName2);

　　輸出結果如下所示(省略時間及項目名)：

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，咱們分析一下這行代碼：NSMutableString *strTest = [[NSMutableStringalloc] initWithString:@"abc"];這行代碼實際上進行了兩個操作：

• 在棧上分配一段內存用來存儲strTest，比如地址為0xAAAA，內容為0x1001157f0；
• 在堆上分配一段內存用來存儲@"abc"，地址為0x1001157f0，內容為abc。

　　現在，咱們針對剛才示例的輸出結果來分別對assign、copy和retain進行說明：

　　assign：默認值，應用assign后，t.strName1和strTest具有相同的內容0x1001157f0，並且retainCount沒有增加，可以理解t.strName1是strTest的別名；

　　copy：應用copy后，會在堆上重新分配一段內存來存儲@"abc"，地址為0x100400460，同時也會在棧上分配一段內存用來存儲t.strName，比如地址為0xBBBB，內容為0x100400460，這時strTest管理0x1001157f0這段內存；t.strName管理0x100400460這段內存。t.strName和strTest的retainCount均為1。

　　retain：應用retain后，可以看到retainCount增加了1，說明在棧上重新分配了一段內存來存儲t.strName2，比如地址為0xCCCC，內容為0x1001157f0。此時，strTest和t.strName2共同管理0x1001157f0這段內存。

　　想必這樣介紹完，大家對於這三個屬性應該是了解的比較清楚了。這里再順便說一下atomic和nonatomic，這兩個屬性用來決定編譯器生成的getter和setter是否為原子操作。

　　atomic：默認值，提供多線程安全。在多線程環境下，原子操作是必要的，否則有可能引起錯誤的結果。加了atomic，setter函數在操作前會加鎖。

　　nonatomic：禁用多線程的變量保護，提高性能。

　　atomic是OC中使用的一種線程保護技術，用來防止在寫操作未完成的時候被另外一個線程讀取，造成數據錯誤。但是這種機制是耗費系統資源的，所以如果沒有使用多線程的通訊編程，那么nonatomic是一個非常好的選擇。

　　【小思考】：將本示例中的所有NSMutableString替換成NSString后，結果是不一樣的，大家可以試驗一下，然后思考這是為什么？(答案在下一小節會有解說)

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IOS中的深復制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

　　像NSString、NSDictionary這些類，本身已經實現了copyWithZone:(NSZone *)zone方法，直接使用如[NSString copy]調用即可。在復制后得到的副本，又可以分為可變副本(mutable copy)和不可變副本(immutable copy)。通常在NSCopying協議規定的方法copyWithZone中返回不可變副本，在NSMutableCopying協議規定的方法mutableCopyWithZone中返回可變副本，然后調用copy和mutableCopy方法來得到相應的不可變和可變副本。

NSString類已經遵循NSCopying協議及NSMutableCopying協議，下面還是通過示例來進行測試。

　　示例一：

        NSString *strSource = [NSStringstringWithFormat:@"I am %@",@"ligf"];

        // 使用copy方法,strSource和strCopy內存地址一致,strSource引用計數加1

        NSString *strCopy = [strSource copy];

        NSLog(@"原始字符串:%p,%@",strSource,strSource);

        NSLog(@"復制字符串:%p,%@",strCopy,strCopy);

　　輸出結果：

原始字符串:0x1001156c0,I am ligf

復制字符串:0x1001156c0,I am ligf

　　【結論】：

　　由[strSource copy]得到的strCopy，兩者內存地址一致，由於copy返回的是不可變副本，系統只生成一份內存資源，此時的copy只是淺復制，和retain作用一樣。(上一小節小思考里面留下的問題就是這個原因)

　　示例二：

        NSString *strSource = [NSStringstringWithFormat:@"I am %@",@"ligf"];

        // 使用mutableCopy方法,strSource和strCopy內存地址不一致,兩者的引用計數均為1

        NSString *strCopy = [strSource mutableCopy];

        NSLog(@"原始字符串:%p,%@",strSource,strSource);

        NSLog(@"復制字符串:%p,%@",strCopy,strCopy); 

　　輸出結果：

原始字符串:0x1001156c0,I am ligf

復制字符串:0x100114fb0,I am ligf

　　【結論】：

　　由[strSource mutableCopy]得到的strCopy，兩者內存地址不一致，由於mutableCopy返回的是可變副本，系統生成了新的內存資源，此時的mutableCopy是深復制。

　　【示例三】：

        NSMutableString *strSource = [NSMutableStringstringWithFormat:@"I am %@",@"ligf"];

        // NSMutableString使用copy方法,strSource和strCopy內存地址不一致,兩者的引用計數均為1

        NSMutableString *strCopy = [strSource copy];

        NSLog(@"原始字符串:%p,%@",strSource,strSource);

        NSLog(@"復制字符串:%p,%@",strCopy,strCopy);

        [strCopy appendString:@"hello"];

　　輸出結果：

原始字符串:0x100115470,I am ligf

復制字符串:0x100115690,I am ligf

*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: 'Attempt to mutate immutable object with appendString:'

　　【結論】：

　　由[strSource copy]得到的strCopy，兩者內存地址不一致，即是copy對NSMutableString類型進行了深復制，當嘗試修改strCopy里面的值時，發現報錯了，無法修改，可以確定副本strCopy是不可變副本。

　　【總的結論】：

　　對於系統中已經實現的同時支持NSCopying協議和NSMutableCopying協議的NSString、NSDictionary等，copy總是返回不可變副本，mutableCopy總是返回可變副本。

何時用原型模式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

• 需要創建的對象應獨立於其類型與創建方式。
• 要實例化的類是在運行時決定的。
• 不想要與產品層次相對應的工廠層次。
• 不同類的實例間的差異僅是狀態的若干組合。因此復制相應數量的原型比手工實例化更加方便。
• 類不容易創建，比如每個組件可以把其他組件作為子節點的組合對象。復制已有的組合對象並對副本進行修改會更加容易。

　　以下兩種特別常見的情形，我們會想到用原型模式：

• 有很多的相關的類，其行為略有不同，而且主要差異在於內部屬性，如名稱等；
• 需要使用組合（樹）對象作為其他對象的基礎，比如，使用組合對象作為組件來構建另一個組合對象。

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