Java设计模式之原型模式

前言

原型模式是一种特殊的创建型模式，它通过复制一个已有对象来获取更多相同或相似的对象。原型模式可以提高相同类型对象的创建效率，简化创建过程。

正文

在面向对象系统中也可以通过复制一个原型对象得到多个与原型对象一摸一样的新对象，这就是原型模式的动机。（孙悟空“拔毛变小猴”）

一、定义

定义如下：

原型模式： 使用原型实例指定待创建对象的类型，并且通过复制这个原型来创建新的对象。
Prototype Pattern： Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance,
and create new objects by copying this prototype.

• 原型模式是一种对象型创建模式

二、工作原理

将一个原型对象传给要发送创建的对象（即客户端对象），这个要发动创建的对象通过请求原型对象来复制自己来实现创建过程。由于在软件系统中经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在软件开发中具有较高的使用频率。原型模式是一种“另类”的创建型模式，创建新对象（也称克隆对象）的工厂就是原型类自身，工厂方法由负责原型对象的克隆方法来实现。

通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通过对克隆所产生的对象进行修改不会对原型对象造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。

三、结构

原型模式包含抽象原型类、具体原型类和客户类3个角色

• 抽象原型类声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类
• 具体原型类实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象

四、浅克隆与深克隆

根据在复制原型对象的同时是否复制包含在原型对象中引用类型的成员变量，原型模式的克隆机制分为浅克隆（Shallow Clone）和深克隆（Deep Clone）。

1、浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型（如int\double\boolean等基本数据类型），将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型（如类、接口、数组等复杂数据类型），则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和 克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当原型对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员变量并没有复制。

2、深克隆

在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将被复制。

五、原型模式实现

1、通用实现方法

通用实现方法是在具体圆形类的克隆方法中实例化一个与自身类型相同的对象并将其返回，同时将相关的参数传入新创建的对象中，保证它们的成员变量相同。示意代码如下：

public abstract class Prototype{
	public abstract Prototype clone();
}

public class ConcretePrototype extends Prototype{
	private String attr;
	
	public void setAttr(String attr){
		this.attr=attr;
	}

	public String getAttr(){
		return this.attr;
	}

	//克隆方法
	public Prototype clone(){
		Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
		prototype.setAttr(this.attr);
		return prototype;
	}
}

客户端：

ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
prototype.setAttr("Sunny");
ConcretePrototype copy = (ConcretePrototype)prototype.clone();

对于引用类型的对象，可以在clone()方法中通过赋值的方式来实现复制，这是一种浅克隆实现方案；如果在clone()方法中通过创建一个全新的成员对象来实现复制，则是一种深克隆实现方案。

2、Java语言中的clone()方法和Cloneable接口

在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的浅克隆，但实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法，Java编译器将抛出异常。

public class ConcretePrototype implements Cloneable{
	...
	public Prototype clone(){
		Object object = null;
		try{
			object = super.clone();	//浅克隆
		}
		catch(CloneNotSupportedException exception){
				System.err.println("Not support cloneable");
		}
		return (Prototype)object;
	}
	...
}

客户端：

Prototype prot = new ConcretePrototype();
Prototype copy = prot.clone();

Java中的clone()方法满足以下几点：
（1）对任何对象 x，都有x.clone()!=x，即克隆对象与原型对象不是同一个对象。
（2）对任何对象 x，都有x.clone().getClass()==x.getClass()。即克隆对象与原型对象的类型一样。
（3）如果对象 x的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。

3、深克隆解决方案

在Java中可以通过序列化（Serialization）等方式来实现深克隆。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个复制，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的复制不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。

4、原型管理器

原型管理器（Prototype Manager）将多个原型对象存储在一个集合*客户端使用，它是一个专门负责克隆对象的工厂，其中定义了一个集合用于存储原型对象，如果需要某个原型对象的一个克隆，可以通过复制集合中对应的原型对象来获得。典型代码如下：

public class PrototypeManager{
	private Hashtable prototypeTable = new Hashtable();	//使用HashTable存储原型对象
	public prototypeManager(){
		prototypeTable.put("A",new ConcretePrototypeA());
		prototypeTable.put("B",new ConcretePrototypeB());
	}

	public void add(String key,Prototype prototype){
		prototypeTable.put(key,prototype);
	}

	public Prototype get(String key){
		Prototype clone = null;
		clone = ((Prototype)prototypeTable.get(key)).clone();	//通过克隆方法创建新对象
		return clone;
	}
}

实际开发中可以将PrototypeManager设计为单例类，确保系统中有且仅有一个PrototypeManager对象，这样既有利于节省系统资源，还可以更好地对原型管理器对象进行控制。

六、原型模式优缺点与适用环境

优点

1. 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
2. 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统没有任何影响。
3. 原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
4. 可以使用深克隆的方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存其拉力，以便在需要的时候使用（例如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。

缺点

1. 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时需要修改源代码，违背了开闭原则。
2. 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，而且当对象之家存在多重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。

适用环境

1. 创建新对象成本较大（例如初始化需要较长时间、占用太多CPU资源或网络资源），新对象可以通过复制已有对象来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
2. 系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小
3. 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更方便。

以上文字，大量摘抄自《Java设计模式》一书，由刘伟老师编著，故本文应当列入转载一类，有兴趣的朋友可以直接阅读原书。