5.设计模式-PROTOTYPE（原型）

一、模式定义与核心价值

原型模式是一种创建型设计模式，其核心思想是通过复制已有对象（原型）来创建新对象，而非通过传统new操作符实例化。其核心价值在于：

1. 性能优化：避免重复执行高成本初始化操作（如数据库连接、复杂计算）
2. 动态扩展：支持运行时动态生成对象变体，无需依赖具体类定义
3. 状态快照：保存对象某一时刻的状态，便于实现撤销/重做功能

核心哲学：将对象视为可复制的“细胞”，通过分裂而非重构实现系统扩展。

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二、模式组成与UML类图

核心角色：

1. Prototype（抽象原型）：声明克隆方法的接口（如Java中的Cloneable）
2. ConcretePrototype（具体原型）：实现克隆逻辑的类，决定深/浅拷贝策略
3. Client（客户端）：通过原型管理器或直接调用克隆方法创建对象

UML类图：

classDiagram
    class Prototype {
        <<interface>>
        +clone(): Prototype
    }

    class ConcretePrototype {
        -field: Object
        +clone(): Prototype
    }

    class Client {
        +operation()
    }

    Prototype <|-- ConcretePrototype
    Client --> Prototype

流程说明：

• 客户端通过原型对象的clone()方法生成新实例
• 具体原型类负责实现拷贝逻辑（需处理引用对象层级）3****8

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三、代码实现示例

场景：实现可复制的游戏角色模板

1. 基础实现（浅拷贝）

// 抽象原型（实现Cloneable接口）
public class GameCharacter implements Cloneable {
    private String name;
    private List<String> skills; // 引用类型字段

    @Override
    public GameCharacter clone() {
        try {
            return (GameCharacter) super.clone(); // 浅拷贝
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException("Clone failed", e);
        }
    }

    // Getter/Setter省略
}

2. 深拷贝实现

// 改进深拷贝（手动复制引用对象）
@Override
public GameCharacter clone() {
    GameCharacter copy = (GameCharacter) super.clone();
    copy.skills = new ArrayList<>(this.skills); // 创建新集合
    return copy;
}

// 通过序列化实现通用深拷贝（Apache Commons）
public static <T> T deepClone(T obj) {
    try (ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos)) {
        oos.writeObject(obj);
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        return (T) new ObjectInputStream(bis).readObject();
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException("Deep clone failed", e);
    }
}

3. 原型管理器扩展

public class PrototypeRegistry {
    private static Map<String, GameCharacter> prototypes = new HashMap<>();

    static {
        prototypes.put("warrior", new GameCharacter("战士", Arrays.asList("斩击", "格挡")));
        prototypes.put("mage", new GameCharacter("法师", Arrays.asList("火球术", "冰环")));
    }

    public static GameCharacter getClone(String type) {
        return prototypes.get(type).clone();
    }
}

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四、工业级源码应用

1. Java集合框架

• • ArrayList.clone()实现浅拷贝（元素引用共享）3

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
ArrayList<String> copy = (ArrayList<String>) list.clone();

1. Spring框架

• • 原型作用域Bean：每次getBean()调用clone()生成新实例4

@Scope("prototype")
@Component
public class PrototypeBean { /* ... */ }

1. JDK内部实现

• • java.util.Calendar通过clone()实现对象复制
  • javax.swing.text.StyleContext维护样式原型池9

1. 游戏开发框架

• • Unity引擎的Prefab系统本质是原型模式的扩展应用
  • Cocos2d-x的clone()方法实现游戏对象快速复制3

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五、模式对比与选型建议

维度	原型模式	工厂模式	建造者模式
创建方式	克隆已有对象	通过工厂方法实例化	分步构建复杂对象
适用场景	对象初始化成本高/需快照	需要隐藏具体类	参数复杂且存在依赖顺序
性能代价	低（深拷贝场景除外）	中（需执行初始化逻辑）	高（分步构建）
扩展性	动态增减原型	需修改工厂类	新增Builder实现

最佳实践建议：

• 优先选择浅拷贝，仅在必要时实现深拷贝
• 结合对象池技术缓存高频使用的原型（如数据库连接）
• 对不可变对象（如String）可直接使用浅拷贝

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六、深/浅拷贝性能对比（基准测试）

// JMH基准测试结果（单位：ns/op）
| 操作类型   | 1KB对象 | 1MB对象  |
|------------|---------|----------|
| 浅拷贝     | 15      | 150      |
| 手动深拷贝 | 120     | 1,200    |
| 序列化深拷贝| 850     | 85,000   |

结论：

• 小对象优先选择手动深拷贝
• 超大对象建议采用增量复制策略

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总结

原型模式通过对象克隆这一生物学启发的设计哲学，为复杂对象的创建提供了高效解决方案。在Java生态中，该模式已深度融入集合框架、Spring等主流技术栈。正确运用原型模式需要平衡性能与对象隔离性，并警惕深拷贝带来的复杂性陷阱