本篇Blog继续学习创建型模式，创建型模式的主要关注点是怎样创建对象，它的主要特点是将对象的创建与使用分离，这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。本篇学习的是原型模式。由于学习的都是设计模式，所有系列文章都遵循如下的目录：

模式档案：包含模式的定义、模式的特点、解决什么问题、优缺点、使用场景等
模式结构：包含模式的结构，包含的角色定义及调用关系
模式实现：包含模式的实现方式代码举例或者生活中简单问题映射代码举例
模式实践：如果工作中或开源项目用到了该模式，就将使用过程贴到这里，并且客观讨论使用的是否恰当
模式对比：如果模式相似或模式有额外的替换方法，有必要体现其相似点及不同点，区分使用，说明哪些场景下使用哪种模式比较好
模式扩展：如果模式有与标准结构定义不同的变体形式，一并体现出其变体结构；对模式的思考需要进行发散等。

接下来所有设计模式的介绍都暂且遵循此基本行文逻辑吗，如果某一条目没有则无需体现，但条目顺序遵循此结构，本文的模式实践案例大多来自极客时间。

模式档案

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。

模式定义：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。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

模式特点：主要特点是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。浅拷贝通过实现 Cloneable重写，深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流

解决什么问题：主要解决复杂或常用对象的高性能快速创建问题，当所需对象和原型对象相差无几且创建成本高时，使用原型模式比使用构造方法性能更高、限制更少。

优点：性能高；逃避构造函数的约束（可访问性等）。

缺点：有如下几个使用不便的地方或缺点

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。

使用场景：原型模式通常适用于以下场景。

对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
创建对象成本较大，例如初始化时间长，占用CPU太多，或者占用网络资源太多等，需要优化资源。
创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等，需要提高性能或者提高安全性。
系统中大量使用该类对象，且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。

在 Spring 中，原型模式应用的非常广泛，例如 scope='prototype'、JSON.parseObject() 等都是原型模式的具体应用

模式结构

原型模式包含抽象原型类、具体原型类、访问类三个角色

抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。

角色的相互调用关系如下图所示：

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆，详细可以看我这篇Blog: 【Java SE基础四】封装、继承、多态

浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址，基本类型属性复制一份。
深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。

模式实现

依据结构来看下具体的各个角色代码：

抽象原型类

Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类

具体原型类

具体原型类

//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
    Realizetype() {
        System.out.println("具体原型创建成功！");
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功！");
        return (Realizetype) super.clone();
    }
}

访问类

//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Realizetype obj1 = new Realizetype();
        Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
        System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
    }
}

请求结果如下：

具体原型创建成功！
具体原型复制成功！
obj1==obj2?false

模式实践

实际上，创建对象包含的申请内存、给成员变量赋值这一过程，本身并不会花费太多时间，或者说对于大部分业务系统来说，这点时间完全是可以忽略的。应用一个复杂的模式，只得到一点点的性能提升，这就是所谓的过度设计，得不偿失。但是，如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从 RPC、网络、数据库、文件系统等非常慢速的 IO 中读取，这种情况下，我们就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作

设计一个可快速升级的数据容器

我们来看一个关于数据版本升级的例子，假设数据库中存储了大约 10 万条搜索关键词信息，每条信息包含关键词、关键词被搜索的次数、信息最近被更新的时间等。系统 A 在启动的时候会加载这份数据到内存中，用于处理某些其他的业务需求。为了方便快速地查找某个关键词对应的信息，我们给关键词建立一个散列表索引，使用 HashMap 容器来实现。其中，HashMap 的 key 为搜索关键词，value 为关键词详细信息（比如搜索次数）。我们只需要将数据从数据库中读取出来，放入 HashMap 就可以了。不过，我们还有另外一个系统 B，专门用来分析搜索日志，定期（比如间隔 10 分钟）批量地更新数据库中的数据，并且标记为新的数据版本。比如，在下面的示例图中，我们对 v2 版本的数据进行更新，得到 v3 版本的数据。这里我们假设只有更新和新添关键词，没有删除关键词的行为

1 保证系统数据实时性

为了保证系统 A 中数据的实时性（不一定非常实时，但数据也不能太旧），系统 A 需要定期根据数据库中的数据，更新内存中的索引和数据，我们可以按照如下步骤实现：

在系统 A 中，记录当前数据的版本 Va 对应的更新时间 Ta，从数据库中捞出更新时间大于 Ta 的所有搜索关键词，也就是找出 Va 版本与最新版本数据的差集
针对差集中的每个关键词进行处理。如果它已经在散列表中存在了，我们就更新相应的搜索次数、更新时间等信息；如果它在散列表中不存在，我们就将它插入到散列表中。

代码示例如下：

public class Demo {
  private ConcurrentHashMap<String, SearchWord> currentKeywords = new ConcurrentHashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (currentKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        currentKeywords.replace(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      } else {
        currentKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}

2 保证系统版本整体升级且不停机更新

这时我们有个新的需求：任何时刻，系统 A 中的所有数据都必须是同一个版本的，要么都是版本 a，要么都是版本 b，不能有的是版本 a，有的是版本 b。那刚刚的更新方式就不能满足这个要求了。除此之外，我们还要求：在更新内存数据的时候，系统 A 不能处于不可用状态，也就是不能停机更新数据

我们把正在使用的数据的版本定义为服务版本，当我们要更新内存中的数据的时候，并不直接在服务版本（假设是版本 a 数据）上更新，而是重新创建另一个版本数据（假设是版本 b 数据），等新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本 a 切换到版本 b。这样既保证了数据一直可用，又避免了中间状态的存在

代码如下所示：

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  public void refresh() {
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new LinkedHashMap<>();
    // 从数据库中取出所有的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords();
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords() {
    // TODO: 从数据库中取出所有的数据
    return null;
  }
}

3 使用原型模式快速复制数据容器

不过，在上面的代码实现中，newKeywords 构建的成本比较高。我们需要将这 10 万条数据从数据库中读出，然后给每一条数据计算哈希值，构建 newKeywords。这个过程显然是比较耗时。为了提高效率，原型模式就派上用场了。我们拷贝 currentKeywords 数据到 newKeywords 中，然后从数据库中只捞出新增或者有更新的关键词，更新到 newKeywords 中。而相对于 10 万条数据来说，每次新增或者更新的关键词个数是比较少的，所以，这种策略大大提高了数据更新的效率。newKeywords 更新完后再整体替换currentKeywords做到整体版本切换

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    // 原型模式就这么简单，拷贝已有对象的数据，更新少量差值
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
        oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
        oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
      } else {
        newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}

但以上代码有个问题，在 Java 语言中，Object 类的 clone() 方法执行的就是我们刚刚说的浅拷贝。它只会拷贝对象中的基本数据类型的数据（比如，int、long），以及引用对象（SearchWord）的内存地址，不会递归地拷贝引用对象本身。

if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
        oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
        oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
      } else {
        newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }

以上这段代码在修改新集合中SearchWord中值的时候也会影响当前集合，就不能满足我们的版本整体更新的要求了。所以在遇到引用对象的位置需要深拷贝。

4 深浅拷贝结合使用

我们可以先采用浅拷贝的方式创建 newKeywords。对于需要更新的 SearchWord 对象，我们再使用深度拷贝的方式创建一份新的对象，替换 newKeywords 中的老对象。毕竟需要更新的数据是很少的。这种方式既利用了浅拷贝节省时间、空间的优点，又能保证 currentKeywords 中的中数据都是老版本的数据

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    // Shallow copy
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        newKeywords.remove(searchWord.getKeyword());
      }
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}

总结一下

和单例模式略有不同，原型模式要做的是进行对象复制。如果说单例是一份结构一份数据，那么原型则是一份结构多份数据。当系统中存在复杂但常用对象，且不同的对象属性值略微不同时，也就是当所需对象和原型对象相差无几且创建成本高时，使用原型模式比使用构造方法性能更高、限制更少，在Java中很简单，就是clone方法，但是需要注意的是深浅拷贝的不同含义，避免拷贝对象的使用对原型对象造成影响。还有一点需要注意，原型模式和我们经常用的spring的beanutils工具类进行对象拷贝有些差异，beanutils工具类主要（不排除同类）做的是两个不同类对象之间的相同属性数据传输工作，例如不同的数据对象转换，VO、DTO等。而原型模式通常是对同类对象的拷贝。

【Java设计模式设计模式与范式】创建型模式六：原型模式

模式档案

模式结构

模式实现

抽象原型类

具体原型类

模式实践

设计一个可快速升级的数据容器

1 保证系统数据实时性

2 保证系统版本整体升级且不停机更新

3 使用原型模式快速复制数据容器

4 深浅拷贝结合使用

总结一下

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【Java设计模式 设计模式与范式】创建型模式 六：原型模式

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