Java 深入理解创建型设计模式之原型模式

1.思考问题

现在有一只羊 tom，姓名为: tom，年龄为:1，颜色为:白色，请编写程序创建和 tom羊属性完全相同的10只羊。

按照传统的思路来，我们可能会按照下面的方式去写。

那么这种写法的优缺点自然而然就出来了：

• 优点是比较好理解，简单易操作。
• 缺点是在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低。总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态，不够灵活。
• 改进的思路分析：java中object类是所有类的根类，object类提供了一个 clone()方法，该方法可以将一个java对象复制一份，但是需要实现clone的java类必须要实现一个接口cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力  =>  原型模式。

2.什么是原型模式？

• 原型模式(prototype模式)是指:  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。
• 原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节。
• 工作原理是:  通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即对象.clone()。

原型模式相关的类图如下：

3.克隆羊多莉案例代码（浅拷贝）

这里由于我是新建的普通java项目，并不是maven项目，所以没法加lombok依赖。那么这里的构造器、setter/getter方法显得这个类的篇幅比较长。。。

package com.szh.prototype.shallowclone;
 
public class sheep implements cloneable {
    private string name;
    private integer age;
    private string color;
    private sheep friend;
 
    public sheep(string name, integer age, string color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
 
    public sheep(string name, integer age, string color, sheep friend) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
        this.friend = friend;
    }
 
    public string getname() {
        return name;
    }
 
    public void setname(string name) {
        this.name = name;
    }
 
    public integer getage() {
        return age;
    }
 
    public void setage(integer age) {
        this.age = age;
    }
 
    public string getcolor() {
        return color;
    }
 
    public void setcolor(string color) {
        this.color = color;
    }
 
    public sheep getfriend() {
        return friend;
    }
 
    public void setfriend(sheep friend) {
        this.friend = friend;
    }
 
    @override
    public string tostring() {
        return "sheep{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", color='" + color + '\'' +
                ", friend=" + friend +
                '}';
    }
 
    //克隆该实例，使用默认的clone方法来完成
    @override
    protected object clone()  {
        sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (sheep) super.clone();
        } catch (clonenotsupportedexception e) {
            system.out.println(e.getmessage());
        }
        return sheep;
    }
}

package com.szh.prototype.shallowclone;
 
public class maintest {
    public static void main(string[] args) {
        sheep sheep = new sheep("多莉",5,"黑白相间",new sheep("喜羊羊",1,"白色"));
 
        sheep sheep2 = (sheep) sheep.clone();
        sheep sheep3 = (sheep) sheep.clone();
        sheep sheep4 = (sheep) sheep.clone();
        sheep sheep5 = (sheep) sheep.clone();
 
        system.out.println(sheep + "  sheep.friend.hashcode = " + sheep.getfriend().hashcode());
        system.out.println(sheep2 + "  sheep2.friend.hashcode = " + sheep2.getfriend().hashcode());
        system.out.println(sheep3 + "  sheep3.friend.hashcode = " + sheep3.getfriend().hashcode());
        system.out.println(sheep4 + "  sheep4.friend.hashcode = " + sheep4.getfriend().hashcode());
        system.out.println(sheep5 + "  sheep5.friend.hashcode = " + sheep5.getfriend().hashcode());
    }
}

从上面的运行结果中可以看到，sheep类中的前三个成员属性都可以成功的拷贝，但是最后一个friend，它表示羊的朋友（也是sheep类型，就是引用类型了）。而当我们拷贝完成之后，应该来说都是不一样的新的对象，但是它们中的friend属性的hashcode居然是一样的！！！    这里我们就要来聊一聊深拷贝和浅拷贝了。

浅拷贝：

• 对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。
• 对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值(内存地址〉复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值。
• 前面我们克隆羊就是浅拷贝。浅拷贝是使用默认的clone()方法来实现：sheep= (sheep) super.clone();

深拷贝：

• 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值。
• 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝。
• 深拷贝实现方式1:  重写clone方法来实现深拷贝。
• 深拷贝实现方式2:  通过对象序列化实现深拷贝(推荐)。

4.深拷贝代码案例

package com.szh.prototype.deepclone;
 
import java.io.serializable;
 
public class deepcloneabletarget implements serializable, cloneable {
 
    private static final long serialversionuid = 1l;
    private string clonename;
    private string cloneclass;
 
    public deepcloneabletarget(string clonename, string cloneclass) {
        this.clonename = clonename;
        this.cloneclass = cloneclass;
    }
 
    @override
    public string tostring() {
        return "deepcloneabletarget{" +
                "clonename='" + clonename + '\'' +
                ", cloneclass='" + cloneclass + '\'' +
                '}';
    }
 
    //因为该类的属性，都是string , 因此我们这里使用默认的clone完成即可
    @override
    protected object clone() throws clonenotsupportedexception {
        return super.clone();
    }
}

package com.szh.prototype.deepclone;
 
import java.io.*;
 
public class deepprototype implements serializable, cloneable {
 
    public string name; //string 属性
    public deepcloneabletarget deepcloneabletarget;// 引用类型
 
    public deepprototype() {
        super();
    }
 
    @override
    public string tostring() {
        return "deepprototype{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", deepcloneabletarget=" + deepcloneabletarget +
                '}';
    }
 
    //深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
    @override
    protected object clone() throws clonenotsupportedexception {
        object deep = null;
        deep = super.clone();
        deepprototype deepprototype = (deepprototype) deep;
        deepprototype.deepcloneabletarget = (deepcloneabletarget) deepcloneabletarget.clone();
        return deepprototype;
    }
 
    //深拷贝 - 方式2 通过对象的序列化实现 (推荐)
    public object deepclone() {
        //创建流对象
        bytearrayoutputstream bos = null;
        objectoutputstream oos = null;
        bytearrayinputstream bis = null;
        objectinputstream ois = null;
 
        try {
            //序列化
            bos = new bytearrayoutputstream();
            oos = new objectoutputstream(bos);
            oos.writeobject(this);
 
            //反序列化
            bis = new bytearrayinputstream(bos.tobytearray());
            ois = new objectinputstream(bis);
            deepprototype copyobj = (deepprototype) ois.readobject();
            return copyobj;
        } catch (exception e) {
            e.printstacktrace();
            return null;
        } finally {
            //关闭流
            try {
                ois.close();
                bis.close();
                oos.close();
                bos.close();
            } catch (exception e2) {
                system.out.println(e2.getmessage());
            }
        }
    }
}

package com.szh.prototype.deepclone;
 
public class maintest {
    public static void main(string[] args) throws exception {
        deepprototype prototype = new deepprototype();
        prototype.name = "张起灵";
        prototype.deepcloneabletarget = new deepcloneabletarget("小哥","闷油瓶");
 
        //方式1 完成深拷贝
        deepprototype prototype2 = (deepprototype) prototype.clone();
        system.out.println("方式1 完成深拷贝");
        system.out.println("prototype.name = " + prototype.name + ", prototype.deepcloneabletarget = " + prototype.deepcloneabletarget);
        system.out.println("prototype.deepcloneabletarget.hashcode = " + prototype.deepcloneabletarget.hashcode());
        system.out.println("-------------------------------------------------------");
        system.out.println("prototype2.name = " + prototype2.name + ", prototype2.deepcloneabletarget = " + prototype2.deepcloneabletarget);
        system.out.println("prototype2.deepcloneabletarget.hashcode = " + prototype2.deepcloneabletarget.hashcode());
        system.out.println("==============================================================================");
 
        //方式2 完成深拷贝
        deepprototype prototype3 = (deepprototype) prototype.deepclone();
        system.out.println("方式2 完成深拷贝");
        system.out.println("prototype.name = " + prototype.name + ", prototype.deepcloneabletarget = " + prototype.deepcloneabletarget);
        system.out.println("prototype.deepcloneabletarget.hashcode = " + prototype.deepcloneabletarget.hashcode());
        system.out.println("-------------------------------------------------------");
        system.out.println("prototype3.name = " + prototype3.name + ", prototype3.deepcloneabletarget = " + prototype3.deepcloneabletarget);
        system.out.println("prototype3.deepcloneabletarget.hashcode = " + prototype3.deepcloneabletarget.hashcode());
    }
}

5.原型模式总结

• 创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率。
• 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态。
• 如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码。
• 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码。
• 缺点:  需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了ocp原则。

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