简说设计模式——原型模式

一、什么是原型模式

　　还记不记得初高中学生物的时候，细胞分裂时怎么实现的，一个细胞无论是细胞核分裂还是细胞质分裂，是不是都是通过克隆自身实现的。或者说我们去复印资料的时候，是不是直接对原本的资料进行复印，得到了一个一模一样的资料，这些都可以说是原型模式，下面看一下定义。

       原型模式（Prototype），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。UML结构图如下：

       其中，Prototype为原型类，声明一个克隆自身的接口；ConcretePrototype为具体实现类，实现一个克隆自身的操作；而客户端Client只需让一个原型克隆自身，从而创建一个新的对象。

    1. Prototype

 1 public abstract class Prototype implements Cloneable {
 2     
 3     private String id;
 4     
 5     public Prototype(String id) {
 6         this.id = id;
 7     }
 8     
 9     public String getId() {
10         return id;
11     }
12 
13     @Override
14     public Prototype clone() {
15         Prototype prototype = null;
16         
17         try {
18             prototype = (Prototype) super.clone();
19         } catch (CloneNotSupportedException e) {
20             e.printStackTrace();
21         }
22         
23         return prototype;
24     }
25     
26 }

    2. ConcretePrototype

       创建当前对象的浅表副本。

1 public class ConcretePrototype extends Prototype {
2 
3     public ConcretePrototype(String id) {
4         super(id);
5     }
6     
7 }

    3. Client

1 public class Client {
2 
3     public static void main(String[] args) {
4         ConcretePrototype p1 = new ConcretePrototype("Hello");
5         ConcretePrototype c1 = (ConcretePrototype) p1.clone();
6         System.out.println(c1.getId());
7     }
8     
9 }

       运行结果为“Hello”，此时ConcretePrototype的对象p1得到了新的实例c1。

二、原型模式的应用

    1. 何时使用

• 当一个系统应该独立于它的产品创建、构成和表示时。
• 当要实例化的类是在运行时刻指定时（如动态装载）。
• 为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。
• 当一个类的实例只能有几种几个不同状态组合中的一种时。

    2. 优点

• 性能优良。不用重新初始化对象，而是动态地获取对象运行时的状态。
• 逃避构造函数的约束。

    3. 缺点

• 配置克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑。
• 必须实现Cloneable接口。

    4. 使用场景

• 资源优化场景。
• 性能和安全要求的场景。
• 一个对象多个修改者的场景。
• 一般与工厂方法模式一起出现，通过clone方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。

    5. 应用实例

• 细胞分裂
• Java中的Object.clone()方法
• 复印

三、原型模式的实现

       下面我们创建一个抽象类和扩展了它的实体类，即图形类与圆形、矩形、三角形。之后再通过一个cache类将对象存储在一个Hashtable中，并在请求的时候返回它们的克隆。UML图如下：

    1. Shape类

       创建一个实现了Cloneable接口的抽象类。

 1 public abstract class Shape implements Cloneable {
 2     
 3     private String id;
 4     protected String type;
 5     
 6     public abstract void draw();
 7 
 8     public String getId() {
 9         return id;
10     }
11 
12     public void setId(String id) {
13         this.id = id;
14     }
15 
16     public String getType() {
17         return type;
18     }
19     
20     @Override
21     public Shape clone() {
22         Shape prototype = null;
23         
24         try {
25             prototype = (Shape) super.clone();
26         } catch (CloneNotSupportedException e) {
27             e.printStackTrace();
28         }
29         
30         return prototype;
31     }
32     
33 }

    2. 实现类

       创建扩展了上面抽象类的实现类，这里以Circle为例。

 1 public class Circle extends Shape {
 2 
 3     public Circle() {
 4         type = "圆形";
 5     }
 6     
 7     @Override
 8     public void draw() {
 9         System.out.println("圆形类的draw方法");
10     }
11 
12 }

    3. ShapeCache

       获取实体类，并存于Hashtable中。

 1 public class ShapeCache {
 2 
 3     private static Hashtable<String, Shape> shapeMap = new Hashtable<>();
 4     
 5     public static Shape getShape(String shapeId) {
 6         Shape shape = shapeMap.get(shapeId);
 7         
 8         return shape.clone();
 9     }
10     
11     //添加三种图形
12     public static void loadCache() {
13         Circle circle = new Circle();
14         circle.setId("1");
15         shapeMap.put(circle.getId(), circle);
16         
17         Triangle triangle = new Triangle();
18         triangle.setId("2");
19         shapeMap.put(triangle.getId(), triangle);
20         
21         Rectangle rectangle = new Rectangle();
22         rectangle.setId("3");
23         shapeMap.put(rectangle.getId(), rectangle);
24     }
25     
26 }

    4. Client客户端

 1 public class Client {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         ShapeCache.loadCache();
 5         
 6         Shape clonedShape = ShapeCache.getShape("1");
 7         System.out.println("图形：" + clonedShape.getType());
 8         
 9         Shape clonedShape2 = ShapeCache.getShape("2");
10         System.out.println("图形：" + clonedShape2.getType());
11         
12         Shape clonedShape3 = ShapeCache.getShape("3");
13         System.out.println("图形：" + clonedShape3.getType());
14         
15     }
16     
17 }

       运行结果如下：

四、浅复制与深复制

       在上述代码中，对象里的数据都是String类型的，而String是一种拥有值类型特点的特殊引用类型，在使用clone()方法时，原始对象及其复本引用同一对象。也就是说，如果类中有对象引用，那么引用的对象数据时不会被克隆过来的。这就叫做“浅复制”。

       “浅复制”指，被复制的对象的所有变量都含有与原来的对象相同的值，而所有的其他对象的引用都仍然指向原来的对象。

       但我们可能更需要这样一种需求，把要赋值的对象所引用的对象都复制一遍。这种方式就是“深复制”。方法是对私有变量进行独立的复制。

       “深复制”指，把引用对象的变量指向复制过的新对象，而不是原有的被引用的对象。

       下面看一个例子。

    1. Client客户端

       先将客户端内容放上，深复制与浅复制只需修改注释即可。

 1 public class TestClient {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         //产生对象
 5 //        ShallowCopy copy = new ShallowCopy();
 6         DeepCopy copy = new DeepCopy();
 7         copy.setValue("张三");
 8         
 9         //拷贝对象
10 //        ShallowCopy cloneCopy = copy.clone();
11         DeepCopy cloneCopy = copy.clone();
12         cloneCopy.setValue("李四");
13         
14         System.out.println(copy.getvalue());
15     }
16     
17 }

    2. 浅复制

 1 public class ShallowCopy implements Cloneable {
 2 
 3     private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
 4     
 5     @Override
 6     public ShallowCopy clone() {
 7         ShallowCopy sCopy = null;
 8         
 9         try {
10             sCopy = (ShallowCopy) super.clone();
11         } catch (CloneNotSupportedException e) {
12             // TODO Auto-generated catch block
13             e.printStackTrace();
14         }
15         
16         return sCopy;
17     }
18     
19     //set
20     public void setValue(String value) {
21         this.arrayList.add(value);
22     }
23     
24     //get
25     public ArrayList<String> getvalue() {
26         return this.arrayList;
27     }
28 }

       在客户端中运行结果如下：

       这里之所以出现了“李四”，是因为Java做了一个偷懒的复制动作，Object类提供的方法clone只是复制本对象，其对象内部的数组、引用对象等都不复制，还是指向原先对象的内部元素地址，这种复制就叫浅复制。两个对象共享了一个私有变量，是一种非常不安全的方式，大家都可以进行更改。

    3. 深复制

 1 public class DeepCopy implements Cloneable {
 2 
 3     private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
 4     
 5     @Override
 6     public DeepCopy clone() {
 7         DeepCopy dCopy = null;
 8         
 9         try {
10             dCopy = (DeepCopy) super.clone();
11             //增加这行
12             dCopy.arrayList = (ArrayList<String>) this.arrayList.clone();
13         } catch (CloneNotSupportedException e) {
14             // TODO Auto-generated catch block
15             e.printStackTrace();
16         }
17         
18         return dCopy;
19     }
20 
21     //set
22     public void setValue(String value) {
23         this.arrayList.add(value);
24     }
25     
26     //get
27     public ArrayList<String> getvalue() {
28         return this.arrayList;
29     }
30     
31 }

       在客户端中运行结果如下：

       仅仅增加了注释下的那一行代码，对私有的类变量进行独立的复制，这样就完成了完全的复制，两个对象间没有任何联系，各自修改互不影响，这就叫深复制。深复制还有一种实现方式是通过自己写二进制流来操作对象，然后实现对象的深复制。

       

       源码地址：https://gitee.com/adamjiangwh/GoF