public class Sheep {
    private String name;
    private Integer age;
    public Sheep(String name, Integer age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
}

克隆羊：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");
            System.out.println(sheep);
        }
    }
}

1.2 优缺点和改进思路

传统方法优点

好理解，简单易操作

缺点：

每次获取再复制效率低：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
不灵活：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：Object 类的 clone() 方法

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，但是对应的类必须实现Cloneable接口，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 ==> 原型模式

二、原型模式（Prototype模式）

2.1 基本介绍

原型模式（Prototype 模式）：用原型实例指定创建对象种类，并通过拷贝原型创建新的对象

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。

原理：将一个原型对象传给要发动创建的对象，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()

形象的理解：孙大圣拔出猴毛，变出其它孙大圣

创建型设计模式：关注如何有效地创建对象，以满足不同的需求和情境。

包括：单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式

2.2 原理

2.2.1 UML图：原型接口、具体原型类、客户端代码

编辑

Prototype：原型类。包含一个用于复制对象的克隆方法。可以使用Cloneable接口作为原型接口。
ConcretePrototype：具体原型类。实现原型接口、重写克隆方法clone()的具体类。
Client：让一个原型对象克隆自己，创建一个属性相同的对象

2.2.2 代码演示

原型接口： 可以是Cloneable接口也可以是自定义带clone()方法的接口

// 步骤1：定义原型接口
interface Prototype extends Cloneable {
    Prototype clone();
}

具体原型类：

// 步骤2：实现具体原型类
class ConcretePrototype implements Prototype {
    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            return (Prototype) super.clone(); // 使用浅拷贝
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

客户端代码： 通过clone()方法创建原型对象

// 步骤3：客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
//创建具体类对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
//通过clone方法创建对象
        ConcretePrototype clonedObject = (ConcretePrototype) prototype.clone();
    }
}

2.3 原型模式解决克隆羊问题

问题回顾：

现在有一只羊，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。

UML 类图

编辑

原型接口：Cloneable接口。

具体原型类：实现Cloneable接口

@Data
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private Integer age;
    private String color;
    public Sheep(String name, Integer age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
    @Override
    protected Object clone() {
        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep) super.clone();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return sheep;
    }
}

客户端： 调用具体原型类的clone()方法创建10个对象

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();
            System.out.println(sheep1);
        }
    }
}

2.4 优缺点和使用场景

2.4.1 优点

构造方法复杂时开销小：如果构造函数的逻辑很复杂，此时通过new创建该对象会比较耗时，那么就可以尝试使用克隆来生成对象。
运行时动态创建对象：不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
开闭原则（OCP原则）：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，无需更改客户端代码。相反，如果使用new方式，就需要在客户端修改构造参数。这使得系统更加灵活和可维护。
对象封装性：原型模式可以帮助保护对象的封装性，因为客户端代码无需了解对象的内部结构，只需知道如何克隆对象。
多态性：原型模式支持多态性，因为克隆操作可以返回具体子类的对象，而客户端代码不需要关心对象的具体类。

扩展：

开闭原则（OCP原则）：代码对修改关闭，对扩展开放。

2.4.2 缺点

构造方法简单时开销大：如果构造函数的逻辑很简单，原型模式的效率不如new，因为JVM对new做了相应的性能优化。

//验证构造方法简单时，原型模式开销大
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Student student = new Student();
        //克隆循环十万次
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            student.clone();
        }
        long midTime = System.currentTimeMillis();
//20ms
        System.out.println("克隆生成对象耗费的时间:" + (midTime - startTime) + "ms");
        //new10万次
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            new Student();
        }
//5ms
        System.out.println("new生成对象耗费的时间:" + (System.currentTimeMillis() - midTime) + "ms");

要注意深拷贝和浅拷贝问题：实现Cloneable接口时，如果具体原型类直接返回super.clone()，则是浅拷贝。克隆的对象里，引用类型变量只拷贝引用，依然指向旧的地址。
代码复杂性：在实现深拷贝的时候可能需要比较复杂的代码。设计模式一般都是以代码复杂性为代价，提高可扩展性、可读性。

2.4.3 适用场景

构造方法复杂：要创建的对象构造方法逻辑很复杂，即创建新的对象比较复杂时，使用原型模式会比直接new效率更高；
经常需要克隆：经常要创建一个和原对象属性相同的对象时，可以考虑原型模式。

三、扩展

3.1 Spring源码中的原型模式：ApplicationContext类的getBean()方法

Spring 框架Bean的生命周期中，ApplicationContext类的getBean()方法中，有用到原型模式。

获取Bean时会判断配置的Bean是单例还是原型，如果是原型，则用原型模式创建Bean。

编辑

验证：bean指定原型模式后，getBean()获取到的多个Bean是不同对象。

@Component("id01")
@Scope("prototype")
public class Monster {
    private String name;
    private int health;
    public Monster() {
        // 默认构造函数
    }
    public Monster(String name, int health) {
        this.name = name;
        this.health = health;
    }
    // 添加其他属性和方法
}

也可以用xml形式注册Bean：

<!-- 这里我们使用scope="prototype"即 原型模式来创建 -->
<bean id="id01" class="com.atquigu.spring.bean.Monster" scope="prototype"/>
</beans>

测试：

public class ProtoType {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
        // 通过ID获取Monster
        Object bean = applicationContext.getBean("id01");
        System.out.println("bean: " + bean); // 输出“牛魔王"....
        Object bean2 = applicationContext.getBean("id01");
        System.out.println("bean2: " + bean2); // 输出“牛魔王"....
        System.out.println(bean == bean2); // false
    }
}

注解方式是@Scope("prototype")。

回顾：

手写Spring源码（简化版）-CSDN博客

3.2 浅拷贝和深拷贝

3.2.1 浅拷贝：引用类型变量拷贝引用

浅拷贝：拷贝后对象是新地址，基本类型变量拷贝值，引用类型变量拷贝引用。只复制某个对象的引用，而不复制对象本身，新旧对象还是共享同一块内存。
深拷贝：拷贝后对象是新地址，基本类型变量拷贝值，引用类型变量拷贝克隆后的值。创造一个一摸一样的对象，新对象和原对象不共享内存，修改新对象不会改变原对对象。反序列化创建对象是深拷贝。

实现方案：具体原型类直接返回super.clone()

实现Cloneable 接口，重写 clone()方法，直接返回super.clone()。

public class Person implements Cloneable {    //虽然clone()是Object类的方法，但Java规定必须得实现一下这个接口
    public int age;//基本类型变量拷贝值
    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }
    @Override
    public Person clone() {
        try {
            return (Person) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person(18);
        Person p2 = p1.clone();    //p2将是p1浅拷贝的对象
        p2.age = 20;
        System.out.println(p1 == p2); // false。拷贝后对象是新地址
        System.out.println(p1.age); // 18。基本类型变量拷贝值
    }
}

3.2.2 深拷贝：引用类型变量拷贝值

深拷贝：拷贝后对象是新地址，基本类型变量拷贝值，引用类型变量拷贝克隆后的值。创造一个一摸一样的对象，新对象和原对象不共享内存，修改新对象不会改变原对对象。反序列化创建对象是深拷贝。

实现方案：具体原型类专门克隆引用类型变量

实现Cloneable 接口，重写 clone()方法，给super.clone()的引用类型成员变量也clone()一下，然后再返回克隆的对象。

public class Person implements Cloneable {
    public int age;//基本类型变量拷贝值
    public int[] arr = new int[] {1, 2, 3};
    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }
    @Override
    public Person clone() {
        try {
            Person person = (Person) super.clone();
            person.arr = this.arr.clone(); // 用引用类型的 clone 方法，引用类型变量拷贝克隆后的值
            return person;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            return null;
        }
    }
}