认真学习设计模式之原型模式(Prototype Pattern)-阿里云开发者社区

【1】概述

原型模式(Prototype 模式)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()。

形象的理解：孙大圣拔出猴毛，变出其它孙大圣

① UML类图

原理结构图说明

Prototype : 原型类，声明一个克隆自己的接口
ConcretePrototype: 具体的原型类, 实现一个克隆自己的操作
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）

【2】案例分析

克隆羊问题：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。

① 传统方式解决

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);
    //...
  }
}

Sheep类

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 + "]";
  }
}

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

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=>原型模式。

② 原型模式

改进后的Sheep类

// 让其实现Cloneable 接口
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, 克隆时会如何处理
  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;
  }
}

客户端测试

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());
  }
}

打印结果如下所示，需要注意的是这里虽然sheep2、sheep3、sheep4、sheep5是不同的对象，但是其成员friend都是同一个实例对象哦。

原型模式完成对象的创建
sheep2 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep2.friend=1173230247
sheep3 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep3.friend=1173230247
sheep4 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep4.friend=1173230247
sheep5 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep5.friend=1173230247

Spring 中原型bean 的创建，就是原型模式的应用。

【3】浅拷贝和深拷贝

① 浅拷贝

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。

前面我们看到虽然sheep2、sheep3、sheep4、sheep5是不同的对象，但是其成员friend都是同一个实例对象，也就是前面我们克隆羊就是浅拷贝.

浅拷贝是使用默认的clone()方法来实现:sheep = (Sheep) super.clone();

② 深拷贝

深拷贝必须满足两个条件：

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

深拷贝的两种实现方式：

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)

假设成员变量DeepCloneableTarget 是一个对象，如下所示：

// 这是一个引用对象，是DeepProtoType成员
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();
  }
}

① 重写clone方法

如下所示，实现Cloneable接口，重写clone()方法。

public class DeepProtoType implements  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;
  }
}

② 通过对象的序列化实现

public class DeepProtoType implements Serializable{
  public String name; //String 属性
  public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型
  public DeepProtoType() {
    super();
  } 
  //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());
      }
    } 
  } 
}

③ 总结

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。可以实现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。但是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(Open Closed Principle, OCP开闭原则)。

认真学习设计模式之原型模式(Prototype Pattern)