软件设计模式系列之七——原型模式

1 模式的定义

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，其主要目的是通过复制现有对象来创建新对象，而不是使用构造函数。原型模式将对象的创建委托给原型对象，通过克隆（复制）来生成新对象，这种方式可以避免对象的重复初始化，提高性能，并使对象的创建更加灵活和动态。

原型模式的关键思想是通过复制已有对象的属性和状态来创建新的对象，这种方式避免了每次都使用构造函数初始化对象，特别适用于对象创建过程复杂、耗时或需要动态配置的情况。

2 举例说明

原型模式在日常生活中的一个常见示例是使用复印机来复制文件或文档。如果你需要复制一份文件，一般情况下不会手工重新编写该文件的每个字，而是使用复印机来制作副本。在这里，原文件充当原型，而复印机则是用于创建新文件副本的工具。使用复印机来复制文件，通过克隆原文件来创建新文件副本，从而节省时间和工作量。

还有一个例子就是在西游记中，孙悟空用自己的猴毛变成很多新的孙悟空，也可以看作孙悟空用自己做原型，拷贝出相同的猴子。

这些例子都有助于更好地理解原型模式的概念和应用。

3 结构

原型模式的结构包括以下要素：

抽象原型接口（Prototype）：这是一个抽象接口或抽象类，它声明了一个克隆方法（通常命名为 clone() 或类似的名称）。这个方法用于复制当前对象并返回一个新的副本。所有具体原型类都必须实现这个接口或继承这个抽象类，以确保它们能够被克隆。

具体原型类（Concrete Prototype）：这些是实际的对象类，它们实现了抽象原型接口，并提供了自己的克隆方法。具体原型类通常包含对象的属性和方法。当客户端需要创建新对象时，它们通过调用克隆方法来复制现有对象。

客户端（Client）：客户端代码是使用原型模式的地方，它通过调用具体原型类的克隆方法来创建新对象。客户端不需要了解对象的具体构造方式，只需知道如何复制对象。

以下是原型模式的典型结构示意图

在这个结构中，抽象原型接口定义了克隆方法，具体原型类实现了克隆方法，并可以包含其他属性和方法。客户端代码通过克隆方法创建新对象，而不必关心对象的具体构造细节。这种结构使得对象的创建更加灵活和可维护。

4 实现步骤

实现原型模式的关键步骤包括以下几个：

创建抽象原型接口（Prototype）：首先，创建一个抽象原型接口或抽象类，其中包含一个克隆方法（通常命名为 clone() 或类似的名称），用于复制当前对象并返回一个新的副本。这个接口将规范所有具体原型类必须实现的方法。

创建具体原型类（Concrete Prototype）：对于每个需要被克隆的具体对象类型，创建一个具体原型类，它实现了抽象原型接口，并提供了自己的克隆方法。在克隆方法中，通常会创建一个新的对象，将当前对象的属性值复制给新对象，并返回新对象。

客户端使用原型对象：在客户端代码中，当需要创建新对象时，不直接使用构造函数，而是通过克隆已有的原型对象来创建新对象。客户端代码通常只需要知道如何调用原型对象的克隆方法，而无需了解对象的具体构造细节。

克隆方法的实现：在具体原型类中，克隆方法的具体实现取决于对象的类型和属性。如果对象包含引用类型的成员变量，需要考虑深度克隆以确保对象的所有状态都被正确复制。

测试和验证：在客户端代码中测试原型模式，确保克隆的对象与原始对象在属性和行为上一致。

5 代码实现

以下是一个通用的原型模式实现步骤示例（使用Java）：

// 1. 创建抽象原型接口
interface Prototype {
    Prototype clone();
}

// 2. 创建具体原型类
class ConcretePrototype implements Prototype {
    private String field;

    public ConcretePrototype(String field) {
        this.field = field;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        return new ConcretePrototype(this.field);
    }

    public void setField(String field) {
        this.field = field;
    }

    public String getField() {
        return field;
    }
}

// 3. 客户端使用原型对象
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型对象
        Prototype original = new ConcretePrototype("Original Field");

        // 克隆原型对象来创建新对象
        Prototype clone = original.clone();

        // 验证新对象的属性与原始对象相同
        System.out.println("Original Field: " + original.getField());
        System.out.println("Clone Field: " + clone.getField());
    }
}

在这个示例中，抽象原型接口定义了克隆方法，具体原型类实现了该接口并提供了自己的克隆方法。客户端通过克隆方法创建新对象，验证新对象的属性与原始对象相同。这个示例展示了原型模式的基本实现步骤。

6 典型应用场景

原型模式在以下情况下是典型的应用场景：

需要创建对象的成本较高：当对象的创建和初始化成本较高时，原型模式可以显著提高性能。每次都使用构造函数创建对象可能会导致不必要的开销，因此通过复制已有对象来创建新对象更为高效。

在计算机游戏中，创建和初始化复杂的游戏角色可能需要大量时间和资源。如果游戏需要大量相似的角色，可以使用原型模式来复制现有角色，节省创建时间。

对象的属性变化频繁：当对象的属性需要经常变化，但你希望保持对象的初始状态作为基础，可以使用原型模式。这样，你可以创建一个原型对象，并根据需要克隆它来创建新的对象。

在图形设计工具中，用户可以创建和编辑图形对象，如图形文本框。原始对象可以充当原型，用户可以复制它来创建多个类似但具有不同文本内容的图形文本框。

动态配置对象：当对象的属性需要根据运行时配置或用户输入而变化时，原型模式很有用。你可以创建一个原型对象，然后根据需要修改其属性，而无需重新构建对象。

在网站创建工具中，用户可以创建网页并自定义颜色、字体、布局等属性。原始网页对象可以作为原型，用户可以克隆它并根据自己的需求修改属性。

保护性拷贝：原型模式可以用于创建对象的深拷贝，以保护原始对象免受外部修改的影响。这对于涉及敏感数据或状态的对象非常有用。

在安全敏感的应用程序中，用户身份验证对象可能包含用户的敏感信息。通过使用原型模式创建深拷贝，可以确保不会在外部修改原始对象的敏感数据。

总之，原型模式适用于需要创建对象的成本高、属性变化频繁、动态配置或需要保护性拷贝的场景。它提供了一种高效、灵活和可维护的方式来创建对象，并在许多领域中有广泛的应用。

7 优缺点

优点：
提高性能：避免了对象的重复初始化，提高了对象创建的效率。

简化对象创建：客户端代码可以通过克隆来创建新对象，无需了解对象的具体构造方式。

动态配置对象：允许在运行时动态配置对象的属性。

保护性拷贝：可以创建对象的深拷贝，保护原始对象免受修改的影响。

缺点：
需要实现克隆方法：每个具体原型类都需要实现克隆方法，这可能需要一些额外的工作。

浅克隆问题：默认的克隆操作是浅克隆，如果对象包含引用类型的成员变量，可能需要手动实现深克隆。

8 类似模式

在 Spring 框架中，使用了原型模式和单例模式来管理对象的创建和生命周期。

原型模式在 Spring 中的应用：

原型范围（Scope）的 Bean：在 Spring 中，你可以将一个 Bean 配置为原型范围，这意味着每次从 Spring 容器请求该 Bean 时，都会创建一个新的实例。这就是原型模式的应用，每次都克隆一个对象来创建新实例。这对于那些需要频繁创建新对象的场景非常有用，因为每个请求都会得到一个全新的 Bean 实例，而不会共享状态。

使用 prototype 作用域声明 Bean：在 Spring 的配置文件或使用注解时，你可以明确将 Bean 的作用域声明为 prototype，告诉 Spring 这个 Bean 是原型范围的，从而使用原型模式来创建对象。

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" scope="prototype">
</bean>

单例模式在 Spring 中的应用：

单例范围（Scope）的 Bean：默认情况下，Spring 中的 Bean 是单例范围的，这意味着 Spring 容器只会创建一个 Bean 的实例，并在整个应用程序中共享这个实例。这就是单例模式的应用，确保一个类只有一个实例。

使用 singleton 作用域声明 Bean：虽然默认是单例范围，但你也可以显式将 Bean 的作用域声明为 singleton，以明确表达这一点。

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" scope="singleton">
</bean>

在 Spring 中，原型模式和单例模式的选择取决于对象的生命周期和状态需求。如果你需要一个共享状态的单一实例，可以使用单例模式。如果需要每次请求都获得一个全新的对象实例，可以使用原型模式。Spring 提供了这两种范围的支持，以满足不同的业务需求。

9 小结

原型模式是一种用于创建对象的设计模式，它通过克隆现有对象来创建新对象，从而提高性能、简化对象创建和支持动态配置对象的需求。原型模式在需要频繁创建对象，或者需要保护对象不受修改影响的情况下非常有用。