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创建型原型模式

gavin-james设计模式设计模式大约 8 分钟

原型模式基本介绍

在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效，就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。

原型模式（Prototype Pattern）是指：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型，创建新的对象。

原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节。

工作原理是：通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即 对象.clone()。

主要优点

  • Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良
  • 可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份，并将其状态保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作

主要缺点

  • 需要为每一个类都配置一个 clone 方法
  • clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则
  • 当实现深克隆时，需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当

原型模式原理结构图

原型模式包含以下主要角色：

  • 抽象原型类（Prototype）：原型接口，声明一个克隆自己的接口，规定了具体原型对象必须实现的接口
  • 具体原型类（ConcretePrototype）：实现原型接口的原型类，实现一个克隆自己的操作
  • 访问类（Client）：让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象（属性一样）
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克隆羊案例

现在有一只羊 tom，姓名为：tom, 年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

传统方式解决克隆羊实例

思路分析（图解）

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Sheep 类代码：

public class Sheep {
    private String name;
    private int age;
    private String color;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + "]";
    }
}

Client 类代码：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        // 传统的方法
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");

        Sheep sheep2 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep3 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep4 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep5 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        // ...

        System.out.println(sheep);
        System.out.println(sheep2);
        System.out.println(sheep3);
        System.out.println(sheep4);
        System.out.println(sheep5);
        // ...
    }
}

传统的方式的优缺点

  • 优点是比较好理解，简单易操作
  • 在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低
  • 总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活

改进的思路分析：Java 中 Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone() 方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是需要实现 clone 的 Java 类必须要实现一个接口 Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力，使用 原型模式。

原型模式解决克隆羊实例

使用原型模式改进传统方式，让程序具有更高的效率和扩展性。

Sheep 类：

public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private String address = "蒙古羊";
    public Sheep friend; // 是对象，克隆是会如何处理

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }


    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + ", address=" + address + "]";
    }

    // 克隆该实例，使用默认的 clone 方法来完成
    @Override
    protected Object clone() {
        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep) super.clone();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        return sheep;
    }
}

Client 类：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("原型模式完成对象的创建");
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");

        sheep.friend = new Sheep("jack", 2, "黑色");

        Sheep sheep2 = (Sheep) sheep.clone(); // 克隆
        Sheep sheep3 = (Sheep) sheep.clone(); // 克隆
        Sheep sheep4 = (Sheep) sheep.clone(); // 克隆
        Sheep sheep5 = (Sheep) sheep.clone(); // 克隆

        System.out.println("sheep2 =" + sheep2 + "sheep2.friend=" + sheep2.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep3 =" + sheep3 + "sheep3.friend=" + sheep3.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep4 =" + sheep4 + "sheep4.friend=" + sheep4.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep5 =" + sheep5 + "sheep5.friend=" + sheep5.friend.hashCode());
    }

}

Spring 框架的原型模式

Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式。

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深入讨论：浅拷贝和深拷贝

浅拷贝的介绍

  • 对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象
  • 对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值
  • 前面我们克隆羊案例就是浅拷贝
  • 浅拷贝是使用默认的 clone() 方法来实现：sheep = (Sheep) super.clone();

深拷贝基本介绍

  • 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值
  • 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象 \ 可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象（包括对象的引用类型）进行拷贝
  • 深拷贝实现方式 1：重写 clone 方法来实现深拷贝
  • 深拷贝实现方式 2：通过 对象序列化 实现深拷贝（推荐）

深拷贝应用实例

  • 使用 重写 clone 方法实现深拷贝
  • 使用序列化来实现深拷贝

DeepCloneableTarget 类

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    private String cloneName;

    private String cloneClass;

    // 构造器
    public DeepCloneableTarget(String cloneName, String cloneClass) {
        this.cloneName = cloneName;
        this.cloneClass = cloneClass;
    }

    // 因为该类的属性，都是 String , 因此我们这里使用默认的 clone 完成即可
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

DeepProtoType 类

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable {

    public String name; // String 属性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget; // 引用类型

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    // 深拷贝 - 方式 1 使用 clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {

        Object deep = null;
        // 这里完成对基本数据类型（属性）和 String 的克隆
        deep = super.clone();
        // 对引用类型的属性，进行单独处理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType) deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget) deepCloneableTarget.clone();

        return deepProtoType;
    }

    // 深拷贝 - 方式 2 通过对象的序列化实现 (推荐)

    public Object deepClone() {

        // 创建流对象
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;

        try {
            // 序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this); // 当前这个对象以对象流的方式输出

            // 反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepProtoType copyObj = (DeepProtoType) ois.readObject();

            return copyObj;

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            // 关闭流
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
}

Client 类

public class Client {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		DeepProtoType p = new DeepProtoType();
		p.name = "宋江";
		p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");
		
		// 方式 1：完成深拷贝
		// DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
		
		// System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
		// System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());

		// 方式 2：完成深拷贝
		DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.deepClone();
		
		System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
		System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
	}
}

DeepProtoType 是引用类型，类似于常写的 Person、Animal 类等。

  • 方式一：如果直接调用引用类型的 clone 方法，则是浅拷贝。那么再创键一个类（成员变量有引用类型），在该类的 clone 方法里返回成员变量（引用类型），返回前，调用引用类型的 clone 方法赋值给成员变量即可

  • 方式二：利用了序列化和反序列化，推荐

原型模式的注意事项和细节

  • 创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率
  • 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
  • 如果原始对象发生变化（增加或者减少属性），其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码
  • 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码
  • 缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了 OCP 原则
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