23种设计模式——原型模式

原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。

 

介绍

意图：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。

主要解决：在运行期建立和删除原型。

何时使用： 1、当一个系统应该独立于它的产品创建，构成和表示时。 2、当要实例化的类是在运行时刻指定时，例如，通过动态装载。 3、为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。 4、当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。

如何解决：利用已有的一个原型对象，快速地生成和原型对象一样的实例。

关键代码： 1、实现克隆操作，在 JAVA 继承 Cloneable，重写 clone()，在 .NET 中可以使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法来实现对象的浅拷贝或通过序列化的方式来实现深拷贝。 2、原型模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型（易变类）之间的耦合关系，它同样要求这些"易变类"拥有稳定的接口。

应用实例： 1、细胞分裂。 2、JAVA 中的 Object clone() 方法。

优点： 1、性能提高。 2、逃避构造函数的约束。

缺点： 1、配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。 2、必须实现 Cloneable 接口。

使用场景： 1、资源优化场景。 2、类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等。 3、性能和安全要求的场景。 4、通过 new 产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式。 5、一个对象多个修改者的场景。 6、一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。 7、在实际项目中，原型模式很少单独出现，一般是和工厂方法模式一起出现，通过 clone 的方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。原型模式已经与 Java 融为浑然一体，大家可以随手拿来使用。

注意事项：与通过对一个类进行实例化来构造新对象不同的是，原型模式是通过拷贝一个现有对象生成新对象的。浅拷贝实现 Cloneable，重写，深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流。

 

实现

我们将创建一个抽象类 Shape 和扩展了 Shape 类的实体类。下一步是定义类 ShapeCache，该类把 shape 对象存储在一个 Hashtable 中，并在请求的时候返回它们的克隆。

PrototypePatternDemo 类使用 ShapeCache 类来获取 Shape 对象。

步骤 1：

创建一个实现了 Cloneable 接口的抽象类。

public abstract class Shape implements Cloneable {
   
   private String id;
   protected String type;
   
   abstract void draw();
   
   public String getType(){
      return type;
   }
   
   public String getId() {
      return id;
   }
   
   public void setId(String id) {
      this.id = id;
   }
   
   public Object clone() {
      Object clone = null;
      try {
         clone = super.clone();
      } catch (CloneNotSupportedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return clone;
   }
}

步骤 2：

创建扩展了上面抽象类的实体类。

public class Rectangle extends Shape {
 
   public Rectangle(){
     type = "Rectangle";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

public class Square extends Shape {
 
   public Square(){
     type = "Square";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

public class Circle extends Shape {
 
   public Circle(){
     type = "Circle";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

步骤 3：

创建一个类，从数据库获取实体类，并把它们存储在一个 Hashtable 中。

import java.util.Hashtable;
 
public class ShapeCache {
    
    private static Hashtable<String, Shape> shapeMap = new Hashtable<String, Shape>();
 
    public static Shape getShape(String shapeId) {
        Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
        return (Shape) cachedShape.clone();
    }
 
    // 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状
    // shapeMap.put(shapeKey, shape);
    // 例如，我们要添加三种形状
    public static void loadCache() {
        Circle circle = new Circle();
        circle.setId("1");
        shapeMap.put(circle.getId(),circle);
 
        Square square = new Square();
        square.setId("2");
        shapeMap.put(square.getId(),square);
 
        Rectangle rectangle = new Rectangle();
        rectangle.setId("3");
        shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle);
    }
}

步骤 4：

PrototypePatternDemo 使用 ShapeCache 类来获取存储在 Hashtable 中的形状的克隆。

public class PrototypePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeCache.loadCache();
 
      Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());        
 
      Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());        
 
      Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());        
   }
}

步骤 5：

执行程序，输出结果：

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle

 

浅克隆和深克隆

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

• 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。
• 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。

在Java中对象的克隆有深克隆和浅克隆之分。有这种区分的原因是Java中分为基本数据类型和引用数据类型，对于不同的数据类型在内存中的存储的区域是不同的。基本数据类型存储在栈中，引用数据类型存储在堆中。

使用clone方法必须满足：

1. 实现Cloneable接口

2. 使用public访问修饰符重新定义clone方法。

在不使用克隆方法时，将类A的实例A1直接赋给类A的新实例A2时会出现这样的情况，修改A2的属性，A1的属性也发生了改变。这是因为赋值操作之后，A1和A2指向同一个对象，就像是使用不同的显示器操作同一个服务器一样，两个显示器显示的都是一个服务器上的内容。

 

浅克隆

对于一个只含有基本数据类型的类来说使用clone方法，是完全没有问题的，用图表来表示该情形的clone操作：

Customer  customer2=customer1.clone();
customer1	ID	123
	age	23
customer2	ID	123
	age	23
customer2.setAge(32);
customer1	ID	123
	age	23
customer2	ID	123
	age	32

在clone后customer1和customer2之间数据互不影响。

但是如果在Customer类中有一个引用类型的属性Address呢？

public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {  
        Address address = new Address("CH" , "SD" , "QD");  
        Customer customer1 = new Customer(1 , 23 , address);  
        Customer customer2 = customer1.clone();  
        customer2.getAddress().setCity("JN");  
        customer2.setID(2);  
        System.out.println("customer1:"+customer1.toString());  
        System.out.println("customer2:"+customer2.toString());  
    }  
}  
class Customer implements Cloneable{  
    public int ID;  
    public int age;  
    public Address address;  
    public int getID() {  
        return ID;  
    }  
    public void setID(int iD) {  
        ID = iD;  
    }  
    public int getAge() {  
        return age;  
    }  
    public void setAge(int age) {  
        this.age = age;  
    }  
    public Address getAddress() {  
        return address;  
    }  
    public void setAddress(Address address) {  
        this.address = address;  
    }  
    public Customer(int iD, int age, Address address) {  
        super();  
        ID = iD;  
        this.age = age;  
        this.address = address;  
    }  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "Customer [ID=" + ID + ", age=" + age + ", address=" + address  
                + "]";  
    }  
    @Override  
    public Customer clone() throws CloneNotSupportedException {  
        return (Customer) super.clone();  
    }  
}  
class Address{  
    private String country;  
    private String province;  
    private String city;  
    public String getCountry() {  
        return country;  
    }  
    public void setCountry(String country) {  
        this.country = country;  
    }  
    public String getProvince() {  
        return province;  
    }  
    public void setProvince(String province) {  
        this.province = province;  
    }  
    public String getCity() {  
        return city;  
    }  
    public void setCity(String city) {  
        this.city = city;  
    }  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "Address [country=" + country + ", province=" + province  
                + ", city=" + city + "]";  
    }  
    public Address(String country, String province, String city) {  
        super();  
        this.country = country;  
        this.province = province;  
        this.city = city;  
    }  
}  

输出的结果是：  
customer1:Customer [ID=1, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=JN]]  
customer2:Customer [ID=2, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=JN]]  

上面分析得到，clone后新旧对象互不影响，customer2修改了id后没有影响到customer1，但是修改了customer2的address属性的city值为JN后，发现customer1的address值也发生了改变。这样就没有达到完全复制、相互之间完全没有影响的目的。这样就需要进行深克隆。

 

深克隆

深克隆与浅克隆的区别就是，浅克隆不会克隆原对象中的引用类型，仅仅拷贝了引用类型的指向。深克隆则拷贝了所有。也就是说深克隆能够做到原对象和新对象之间完全没有影响。

而深克隆的实现就是在引用类型所在的类实现Cloneable接口，并使用public访问修饰符重写clone方法。

上面的代码做以下修改：

1．Address类实现Cloneable接口，重写clone方法;

@Override  
public Address clone() throws CloneNotSupportedException {  
    return (Address) super.clone();  
}  

2.在Customer类的clone方法中调用Address类的clone方法。

@Override  
public Customer clone() throws CloneNotSupportedException {  
    Customer customer = (Customer) super.clone();  
    customer.address = address.clone();  
    return customer;  
}  

修改后测试代码的输出结果：

customer1:Customer[ID=1, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=QD]]

customer2:Customer[ID=2, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=JN]]

发现customer2无论如何修改，customer1都没有受到影响。

 

序列化实现深克隆

实现深克隆的另一种方法就是使用序列化，将对象写入到流中，这样对象的内容就变成了字节流，也就不存在什么引用了。然后读取字节流反序列化为对象就完成了完全的复制操作了。

        Address address = new Address("CH" , "SD" , "QD");  
        Customer customer1 = new Customer(1 , 23 , address);  
        Customer customer2 = (Customer) cloneObject(customer1);  
        customer2.getAddress().setCity("JN");  
        customer2.setID(2);  
        System.out.println("customer1:"+customer1.toString());  
        System.out.println("customer2:"+customer2.toString());  

cloneObject方法的定义：

public static Object cloneObject(Object obj) throws IOException, ClassNotFoundException{  
    ByteArrayOutputStream byteOut = new ByteArrayOutputStream();  
    ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(byteOut);  
    out.writeObject(obj);   
    ByteArrayInputStream byteIn = new ByteArrayInputStream(byteOut.toByteArray());  
    ObjectInputStream in =new ObjectInputStream(byteIn);  
    return in.readObject();  
}  

 

运行结果：

customer1:Customer[ID=1, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=QD]]

customer2:Customer[ID=2, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=JN]]

Java中定义的clone没有深浅之分，都是统一的调用Object的clone方法。为什么会有深克隆的概念？是由于我们在实现的过程中刻意的嵌套了clone方法的调用。也就是说深克隆就是在需要克隆的对象类型的类中全部实现克隆方法。就像是toString方法一样，假如上面的Customer类中重写了toString方法，而Address类没有进行重写，就会出现这样的输出语句：

customer1:Customer[ID=1, age=23, address=com.gos.java.standard.Address@38d8fb2b]

只有在Address类也重写了toString方法才会打印出完全的信息：

customer1:Customer [ID=1, age=23, address=Address [country=CH, province=SD, city=QD]]

只不过在打印的操作中就默认的调用了对象的toString方法，而clone方法需要在代码中显式的调用。

 

总结

1.浅克隆：只复制基本类型的数据，引用类型的数据只复制了引用的地址，引用的对象并没有复制，在新的对象中修改引用类型的数据会影响原对象中的引用。
2.深克隆：是在引用类型的类中也实现了clone，是clone的嵌套，复制后的对象与原对象之间完全不会影响。
3.使用序列化也能完成深复制的功能：对象序列化后写入流中，此时也就不存在引用什么的概念了，再从流中读取，生成新的对象，新对象和原对象之间也是完全互不影响的。
4.使用clone实现的深克隆其实是浅克隆中嵌套了浅克隆，与toString方法类似

 

 

转载：https://www.runoob.com/design-pattern/prototype-pattern.html

           https://blog.csdn.net/jeffleo/article/details/76737560