教程|中文主题： Prototype样式
副题： 多形性、接口(Interface)


????????? 内容 ?????????
v 1. 样式
v 2. 对象之原型(object prototype)
v 3. 以VB落实Prototype样式
v 4. Prototype样式之应用----- 组件之设计与组装


1. 样式
Erich Gamma 等人的名著──"Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software" 含有23个重要的设计样式(design pattern)。顾名思义﹐「样式」就是大家可「有样学样﹐依样画葫芦」﹐并一而再、再而三地在不同场合﹐重复使用(reuse) 它来解决常见之问题。
样式必须常常使用﹐且愈纯熟愈好﹐才能随外界环境(context) 而加以变化﹐才能确实解决问题(problem) 。像孙子兵法、太极拳法皆含有许多样式（或称为招式）﹐必须心领神会﹐并实际练习之﹐才能达到炉火纯青之地步。其主要原因是﹕单一样式（招式）常只解决个小问题﹐而大问题可能需要多种样式混合使用才行。如何将小样式组合成为大样式来解决大问题呢﹖这常需一套完整的法则(rule)﹐通称为「样式语言」(pattern language)。本文引用Gamma书中的Prototype样式﹐说明如何以VB的接口来实作之，也让您更能善用多形性观念。以下就请您仔细看如何使用Prototype 样式了。


图1、Prototype样式的UML图


2. 对象之原型 (object prototype)
人们日常生活中﹐常见下述说法﹕

「我要养一只像加菲猫一样的猫」
「我将来要娶个美如西施的妻子」
......

其中﹐加菲猫和西施皆是prototype （或译为范例）。当您说上述两句话时﹐听者立即能经由prototype 对象（即加菲猫或西施）来了解您心中所欲描述之新对象。在软件方面﹐使用者可藉prototype 来告诉计算机﹕

「我要的对象就像这个prototype 对象」

于是﹐计算机依该prototype 对象来造出一模一样的新对象给使用者。
回想﹐我们所熟悉的VB、C#、Java或C++语言中﹐皆是借着「类别」来描述对象之特性﹐然后计算机则依类别之描述来造出新对象。这种就通称为class-based programming ﹔而前者称为prototype-based programming 。
随着﹐软件零组件(sofrware IC) 观念的流行﹐prototype-based programming 观念也愈来愈重要了。既使像VB语言﹐也能支持prototype-based programming 。


3. 以VB落实Prototype样式
上图1是Gamma书中所列出的prototype样式。下图2则是个实际的例子。


图2、绘图对象的Prototype

对象设计者从Shape衍生出Circle及Rectangle两类别，并各诞生1个prototype对象，且存入ShapeList串行或数组之中。设计者必须为各类别定义Clone( )函式来诞生新对象，并构成多形性。于是对象装配者只需呼叫Clone( )函数就能获得新对象，而不必具有类别观念。未来，设计者可从Shape类别衍生出许许多多子类别，并把对象放入ShapeList中，供装配者使用。
兹看看如何以VB来落实上图2的UML模式：

'ex01.bas
Imports System.ComponentModel
Imports System.Drawing
Imports System.WinForms
'-------------------------------------------------------------------------
Class Shape
Protected lx, ly As Integer
Public Sub SetXY(ByVal x As Integer, ByVal y As Integer)
lx = x
ly = y
End Sub
Public Overridable Sub Draw()
End Sub
Public Overridable Function Clone() As Shape
End Function
End Class

Class Circle
Inherits Shape

Public Overrides Sub Draw()
MessageBox.Show("Drawing a Circle at (" + str(lx) + ", " + str(ly) + ")")
End Sub
Public Overrides Function Clone() As Shape
Clone = New Circle()
End Function
End Class

Class Rectangle
Inherits Shape

Public Overrides Sub Draw()
MessageBox.Show("Drawing a Rectangle at (" + str(lx) + ", " + str(ly) + ")")
End Sub
Public Overrides Function Clone() As Shape
Clone = New Rectangle()
End Function
End Class
'-------------------------------------------------------------------------------------
Class ShapeList
Private tlist(10) As Shape
Private counter As Integer

Public Sub New()
counter = 0
End Sub
Public Sub AddShape(ByVal sobj As Shape)
tlist(counter) = sobj
counter = counter + 1
End Sub
Public Function GetShape(ByVal i As Integer) As Shape
GetShape = tlist(i)
End Function
Public Sub Draw()
Dim i As Integer
For i = 0 To counter - 1
tlist(i).Draw()
Next
End Sub
End Class
'-------------------------------------------------------------------------------------
Public Class Form1
Inherits System.WinForms.Form
Public Sub New()
MyBase.New()
Form1 = Me
'This call is required by the Win Form Designer.
InitializeComponent()
'TODO: Add any initialization after the InitializeComponent() call
End Sub
'Form overrides dispose to clean up the component list.
Public Overrides Sub Dispose()
MyBase.Dispose()
components.Dispose()
End Sub
#Region " Windows Form Designer generated code "
......
#End Region
Protected Sub Form1_Click(ByVal sender As Object, ByVal e As System.EventArgs)
Dim list As New ShapeList()
Dim ps As Shape
ps = New Circle()
ps.SetXY(10, 10)
list.AddShape(ps)

ps = New Rectangle()
ps.SetXY(50, 50)
list.AddShape(ps)

ps = list.GetShape(0).Clone()
ps.SetXY(230, 70)
list.AddShape(ps)

list.Draw()
End Sub
End Class

此程序输出：
Draw a Circle at (10, 10)
Draw a Rectangle at (50, 50)
Draw a Circle at (230, 70)

ShapeList类别属于Client，在设计ShapeList类别时，只能用到Shape类别的信息而已；在Client（如上述的Form1类别)里，除了诞生对象时使用到Circle和Rectangle类别名称之外，也只能用到Shape类别的信息而已；这让我们未来能不断扩充更多子类别，如Square、Triangle等等。为了达到此高度扩充性，需要用到多形性(polymorphism)观念。所以Shape类别里建立了多形的基础：

Public Overridable Sub Draw()
End Sub
Public Overridable Function Clone() As Shape
End Function
Draw( )和Clone( )皆是虚拟(virtual)程序，以发挥多型(polymorphism)功能。lx及ly是图形的左上角坐标。SetXY( )可改变lx及ly值。ShapeList类别的Draw程序用来绘出串行中的各prototype对象图。
VB的父类别(superclass)有两种角色:
1) 提供一些程序给子类别继承
2) 作为各子类别的共同接口(Interface)

上述程序是两者合一的落实途径。如果您落实到分布式(Distributed)环境里，则宜将上述两项角色分离并各别落实之。此时必须使用VB的Interface机制了。例如上述程序相当于：

'ex02.bas
Imports System.ComponentModel
Imports System.Drawing
Imports System.WinForms
'----------------------------------------------------
Interface IShape
Sub Draw()
Function Clone() As IShape
Sub SetXY(ByVal x As Integer, ByVal y As Integer)
End Interface

Class Shape
Protected lx, ly As Integer
Protected Sub SetXY(ByVal x As Integer, ByVal y As Integer)
lx = x
ly = y
End Sub
End Class

Class Circle
Implements IShape
Inherits Shape

Public Sub Draw() Implements IShape.Draw
MessageBox.Show("Drawing a Circle at (" + str(lx) + ", " + str(ly) + ")")
End Sub
Public Function Clone() As IShape Implements IShape.Clone
Clone = New Circle()
End Function
Public Sub SetValue(ByVal x As Integer, ByVal y As Integer) Implements IShape.SetXY
MyBase.SetXY(x, y)
End Sub
End Class

Class Rectangle
Inherits Shape
Implements IShape

Public Sub Draw() Implements IShape.Draw
MessageBox.Show("Drawing a Rectangle at (" + str(lx) + ", " + str(ly) + ")")
End Sub
Public Function Clone() As IShape Implements IShape.Clone
Clone = New Rectangle()
End Function
Public Sub SetValue(ByVal x As Integer, ByVal y As Integer) Implements IShape.SetXY
MyBase.SetXY(x, y)
End Sub
End Class
'------------------------------------------------------------------------------------------
Class ShapeList
Private tlist(10) As IShape
Private counter As Integer

Public Sub New()
counter = 0
End Sub
Public Sub AddShape(ByVal sobj As IShape)
tlist(counter) = sobj
counter = counter + 1
End Sub
Public Function GetShape(ByVal i As Integer) As IShape
GetShape = tlist(i)
End Function
Public Sub Draw()
Dim i As Integer
For i = 0 To counter - 1
tlist(i).Draw()
Next
End Sub
End Class
'------------------------------------------------------------------------------------------
Public Class Form1
Inherits System.WinForms.Form
Public Sub New()
MyBase.New()
Form1 = Me
'This call is required by the Win Form Designer.
InitializeComponent()
'TODO: Add any initialization after the InitializeComponent() call
End Sub
'Form overrides dispose to clean up the component list.
Public Overrides Sub Dispose()
MyBase.Dispose()
components.Dispose()
End Sub
#Region " Windows Form Designer generated code "
......
#End Region
Protected Sub Form1_Click(ByVal sender As Object, ByVal e As System.EventArgs)
Dim list As New ShapeList()
Dim pShape As IShape
pShape = New Circle()
pShape.SetXY(10, 10)
list.AddShape(pShape)

pShape = New Rectangle()
pShape.SetXY(50, 50)
list.AddShape(pShape)

pShape = list.GetShape(0).Clone()
pShape.SetXY(230, 70)
list.AddShape(pShape)

list.Draw()
End Sub
End Class

此程序输出：
Draw a Circle at (10, 10)
Draw a Rectangle at (50, 50)
Draw a Circle at (230, 70)

Shape类别专心担任幕后角色了，Client及ShapeList类别的设计者只看到IShape接口而已，这充分发挥了VB接口的优点。


4. Prototype样式之应用
----- 组件之设计与组装

软件工业逐渐往零组件或称组件(component) 方向发展﹐未来计算机软件人员将分为两大群﹕对象设计者(object designer) 与对象装配者(object assembler)。就拿VB 程序员来说﹐对象设计者负责设计类别﹐以便诞生出各式各样之对象﹔对象装配者能使用现有对象或将之组装成更大之对象或系统。
依据上述加菲猫和西施的例子中﹐人们常很自然地拿自己熟悉的例子来描述他所想要的对象﹔亦即经由举例来说明他心中的对象﹐是较合乎人们生活习惯的。反而较少以类别来描述他心中之对象。因之﹐对象设计者定义好各类别之后也应各诞生一个对象﹐当做例子(prototype) ﹐最好显示在Windows 画面上。对象装配者不需要具有「类别」观念﹐只需用鼠标点取画面上的prototype 对象﹐就能获得一个类似的新对象了。如此﹐就可构成美好的分工情形。然而﹐在VB及Java等语言中﹐对象皆是由「类别」来产生的。这会造成冲突问题﹕

u 设计者不能随时诞生对象供装配者使用﹐因而希望装配者随时藉由类别诞生对象。
u 装配者最好不必具有类别观念﹐因而不愿意藉由类别来诞生对象。

如何化解这个问题呢﹖答案是﹕使用prototype 样式。

对象设计者之工作包括：
1. 设计(定义)一个Form类别叫Form1。
2. 设计一个应用架构(application framework)做为「设计者」与「装配者」分工的基础。
3. 基于架构，衍生出子类别，如Circle及Rect。
4. 诞生对象，存入串行ShapList中，如图3所示。


图3、组装的基础环境

对象装配者之工作是：
点取(或使讯息)给串行中的prototype对象，由其呼叫Clone( )来诞生新对象。
例如，让「装配者」自屏幕画面上选取对象。Circle和Rectangle各定义Draw( )及Clone( )达到多型效果，让「装配者」使用起来更加方便。Clone( )必传回一个新对象。Form1.Click()里的指令-----

pShape = list.GetShape(0).Clone()
pShape.SetXY(230, 70)
list.AddShape(pShape)

首先，取出串行中的第0个prototype对象，此对象诞生另一个对象，由pShape代表之。在将此新对象存入串行中，如下图所示：




图4、组装者依据prototype指示计算机诞生对象

最末将各prototype对象数示于画面上。
上述例子中，把ShapeList也归为对象设计者的掌管工作之一。在实际上，ShapeList常隶属于「装配工具」(assembly tools)内的一部份。而装配工具的设计者，可能既非对象设计者，也非对象装配者，而是用来协助「装配者」使其工作效率更佳。
由于Clone函数及Draw( )程序的多型性，在加上Clone( )能产生新对象，使得装配工具设计者，不必顾虑到对象类别之剧增，也不必用到期类别名称，大大减少工具程序之复杂度，这也是prototype模式的另一个重要用途。■