学习设计模式之原型模式
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了学习设计模式之原型模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章目录
一、定义
原型模式主要解决的是创建重复对象的问题，而这部分对象内容本身比较复杂，从数据库或者RPC接口中获取相关对象数据的耗时较长，因此需要采用复制的方式节省时间，例如图所示的批量复制和生产机器人。
这种场景也经常出现在我们身边，只不过很少有人提炼出这种设计思想，并运用到自己的系统开发中，就像
- 经常使用Ctrl+C、Ctrl+V组合键复制和粘贴代码。
- 细胞的有丝分裂。
类似的场景并不少，但在平时的代码开发中并不容易找到这样的设计模式，甚至有时即使遇到了也会忽略。在没有阅读下文之前，可以思考有哪些场景可以用到这种设计模式。
二、问题背景
每个人都经历过考试，大部分情况都是在纸质的试卷上答题，随着互联网的兴起，也有一些考试改为上机考试。
从时间效率和成本上看，上机考试可以大大降低判卷的人工成本，提高判分效率。上机考试还可以提高考试的公平性，将同样的题目混排，可以更好地降低抄袭的可能性，在这种情况下对应的答案也是混排的。
同样的试卷题目，如果是人工判卷，很难实现题目混排，但放在计算机上，无论是生成试卷还是判卷都能轻而易举地实现。下面就来实现这样的功能：同样一张试卷、同样的题目、同样的答案，把题目和答案全部混排。
在模拟工程中，提供了试卷中两类题目：选择题类（ChoiceQuestion）和问答题类（AnswerQuestion）。
如果是实际的业务开发，还会有更多的考试题目类型，读者在练习时可以自行添加。
（1）选择题
在选择题类（ChoiceQuestion）中，提供了题目名称、题目选项和题目答案三种属性。
/**
* 单选题
*/
public class ChoiceQuestion
private String name; // 题目
private Map<String, String> option; // 选项；A、B、C、D
private String key; // 答案；B
public ChoiceQuestion()
public ChoiceQuestion(String name, Map<String, String> option, String key)
this.name = name;
this.option = option;
this.key = key;
public String getName()
return name;
public void setName(String name)
this.name = name;
public Map<String, String> getOption()
return option;
public void setOption(Map<String, String> option)
this.option = option;
public String getKey()
return key;
public void setKey(String key)
this.key = key;
（2）问答题类
在问答题类（AnswerQuestion）中，提供了问题和答案两种属性。
/**
* 解答题
*/
public class AnswerQuestion
private String name; // 问题
private String key; // 答案
public AnswerQuestion()
public AnswerQuestion(String name, String key)
this.name = name;
this.key = key;
public String getName()
return name;
public void setName(String name)
this.name = name;
public String getKey()
return key;
public void setKey(String key)
this.key = key;
三、违背设计模式的设计实现
按照通常的需求迭代过程，往往最开始都是非常简单的，也是非常容易实现的。
需求最初的模样，只是给每位考生创建出一张试卷即可，对于这样简单的需求，如果不仔细思考，可能会把所有代码写到一个类里。
这个工程的结构只有一个用于生成试卷的控制类QuestionBankController，接下来看这样的类是如何实现的。
public class QuestionBankController
public String createPaper(String candidate, String number)
List<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();
choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("JAVA所定义的版本中不包括", new HashMap<String, String>()
put("A", "JAVA2 EE");
put("B", "JAVA2 Card");
put("C", "JAVA2 ME");
put("D", "JAVA2 HE");
put("E", "JAVA2 SE");
, "D"));
choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("下列说法正确的是", new HashMap<String, String>()
put("A", "JAVA程序的main方法必须写在类里面");
put("B", "JAVA程序中可以有多个main方法");
put("C", "JAVA程序中类名必须与文件名一样");
put("D", "JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用(大括号)括起来");
, "A"));
choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("变量命名规范说法正确的是", new HashMap<String, String>()
put("A", "变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；");
put("B", "变量不能以数字作为开头；");
put("C", "A和a在java中是同一个变量；");
put("D", "不同类型的变量，可以起相同的名字；");
, "B"));
choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("以下()不是合法的标识符", new HashMap<String, String>()
put("A", "STRING");
put("B", "x3x;");
put("C", "void");
put("D", "de$f");
, "C"));
choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("表达式(11+3*8)/4%3的值是", new HashMap<String, String>()
put("A", "31");
put("B", "0");
put("C", "1");
put("D", "2");
, "D"));
List<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();
answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("小红马和小黑马生的小马几条腿", "4条腿"));
answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("铁棒打头疼还是木棒打头疼", "头最疼"));
answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("什么床不能睡觉", "牙床"));
answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("为什么好马不吃回头草", "后面的草没了"));
// 输出结果
StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\\r\\n" +
"考号：" + number + "\\r\\n" +
"--------------------------------------------\\r\\n" +
"一、选择题" + "\\r\\n\\n");
for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++)
detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\\r\\n");
Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
for (String key : option.keySet())
detail.append(key).append("：").append(option.get(key)).append("\\r\\n");;
detail.append("答案：").append(choiceQuestionList.get(idx).getKey()).append("\\r\\n\\n");
detail.append("二、问答题" + "\\r\\n\\n");
for (int idx = 0; idx < answerQuestionList.size(); idx++)
detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(answerQuestionList.get(idx).getName()).append("\\r\\n");
detail.append("答案：").append(answerQuestionList.get(idx).getKey()).append("\\r\\n\\n");
return detail.toString();
以上的代码主要包括三部分内容：将选择题和问答题创建到集合中，定义详情字符串包装结果，返回结果内容。
单从代码阅读角度来看，这样的代码并不复杂，且更易于理解。
因为它的编程方式不面向对象，只面向程序过程，业务逻辑需要什么就直接写什么。
不考虑扩展性，能运行即可。
但这段代码没有实现题目和答案乱序的功能，最终所有人的试卷题目的顺序都是一样的。如果需要增加混排题目功能，则代码实现就会非常混乱。
四、问题改进
原型模式主要解决的问题是创建大量的重复对象，而这里模拟的场景同样是需要给不同的考生创建相同的试卷，但在创建过程中，这些试卷的题目不应该每次都从数据库或者远程 RPC 接口中获取。
这些操作都是非常耗时的，而且随着创建对象的增多，将严重降低创建效率。
另外，在解决获取相同试卷题目的问题后，还需要将试卷的题目与答案混排。
而这种混排的过程就可以使用原型模式。
在原型模式中，需要的重要技术手段是复制，而在需要用到复制的类中需要实现 implements Cloneable接口。
重构后的整个工程结构并不复杂，主要包括如下内容：
- 题目类ChoiceQuestion、AnswerQuestion被用在题库创建中；
- 针对每一张试卷，都会复制。复制完成后，将试卷的题目及相应的答案混排。这里提供了工具包TopicRandomUtil。
- 核心的题库类QuestionBank主要负责将各个题目进行组装，最终输出试卷。
（1）题目混排工具包
public class TopicRandomUtil
/**
* 乱序Map元素，记录对应答案key
* @param option 题目
* @param key 答案
* @return Topic 乱序后 A=c., B=d., C=a., D=b.
*/
static public Topic random(Map<String, String> option, String key)
Set<String> keySet = option.keySet();
ArrayList<String> keyList = new ArrayList<String>(keySet);
Collections.shuffle(keyList);
HashMap<String, String> optionNew = new HashMap<String, String>();
int idx = 0;
String keyNew = "";
for (String next : keySet)
String randomKey = keyList.get(idx++);
if (key.equals(next))
keyNew = randomKey;
optionNew.put(randomKey, option.get(next));
return new Topic(optionNew, keyNew);
考题答案混排的工具包提供了实现混排的random方法。其核心逻辑如下：
- 在混排操作方法中，首先把题目选项使用 Java 中Collections 工具包里的shuffle方法进行混排操作；
- 记录混排后正确答案的位置key.equals（next），最终返回新的题目选项单Topic；
- 混排的过程也就是把A的选项内容给B、把B的选项内容给 C，同时把正确答案位置标记出来。
（2）题库复制对象类
/**
* 题库
*/
public class QuestionBank implements Cloneable
private String candidate; // 考生
private String number; // 考号
private ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();
private ArrayList<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();
public QuestionBank append(ChoiceQuestion choiceQuestion)
choiceQuestionList.add(choiceQuestion);
return this;
public QuestionBank append(AnswerQuestion answerQuestion)
answerQuestionList.add(answerQuestion);
return this;
@Override
public Object clone() throws CloneNotSupportedException
QuestionBank questionBank = (QuestionBank) super.clone();
questionBank.choiceQuestionList = (ArrayList<ChoiceQuestion>) choiceQuestionList.clone();
questionBank.answerQuestionList = (ArrayList<AnswerQuestion>) answerQuestionList.clone();
// 题目乱序
Collections.shuffle(questionBank.choiceQuestionList);
Collections.shuffle(questionBank.answerQuestionList);
// 答案乱序
ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = questionBank.choiceQuestionList;
for (ChoiceQuestion question : choiceQuestionList)
Topic random = TopicRandomUtil.random(question.getOption(), question.getKey());
question.setOption(random.getOption());
question.setKey(random.getKey());
return questionBank;
public void setCandidate(String candidate)
this.candidate = candidate;
public void setNumber(String number)
this.number = number;
@Override
public String toString()
StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\\r\\n" +
"考号：" + number + "\\r\\n" +
"--------------------------------------------\\r\\n" +
"一、选择题" + "\\r\\n\\n");
for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++)
detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\\r\\n");
Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
for (String key : option.keySet())
detail.append(key).append("：").append(optionJava 设计模式之原型学习与掌握
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