设计模式 -- 原型模式 图解java对象克隆 引用拷贝浅拷贝深拷贝序列化拷贝

Posted 2021-06-06 java叶新东老师

什么是原型模式

原型模式是一个创建型的模式。原型二字表明了该模式应该有一个样板实例，用户从这个样板对象中复制一个内部属性一致的对象，这个过程也就是我们称的“克隆”。被复制的实例就是我们所称的“原型”，这个原型是可定制的。原型模式多用于创建复杂的或者构造耗时的实例，因为这种情况下，复制一个已经存在的实例可使程序运行更高效。关键就是两个字：克隆

 

对象克隆简介

对象克隆，说白了，就是将已实例化的对象复制一个出来，有个别同学就要问了，字节new 出来或者用反射创建一个实例出来不就好了吗？  干嘛要克隆？ 当然你可以new也可以反射，但是你new出来的对象都是空的，我们克隆是是将已有内容的对象复制一个一模一样的出来，比如我们看看下面这个复制对象的案例；

   // 实例化对象
        StudentInfo studentInfo = new StudentInfo();
        studentInfo.setName("张三");
        studentInfo.setAge(16);
        studentInfo.setHeight(149);
        studentInfo.setLoginName(zhangsan);
        studentInfo.setStatus(1);
        studentInfo.setAddress("广东省深圳市南山区深圳湾一号3栋28楼2802房");
        .......
        studentInfo.setN("N"); // 第N个对象
        
        // 复制对象
        StudentInfo copyInfo = new StudentInfo();
        copyInfo.setName(studentInfo.getName());
        copyInfo.setAge(studentInfo.getAge());
        copyInfo.setHeight(studentInfo.getHeight());
        copyInfo.setLoginName(studentInfo.getLoginName());
        copyInfo.setStatus(studentInfo.getStatus());
        copyInfo.setAddress(studentInfo.getAddress());
        ........
        copyInfo.setN(studentInfo.getN()); // 设置第N个对象

以上的复制对象方式是可行的，但是需要每个都重新赋值一遍，太麻烦啦，而且如果对象太多的话，你不得写好多代码，维护起来也麻烦得多，

 

原型模式使用场景

1. 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，通过原型拷贝避免这些消耗
2.  通过new产生的一个对象需要非常繁琐的数据准备或者权限，这时可以使用原型模式。 
3. 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，即保护性拷贝。

 

什么时候要用到对象拷贝

Spring默认是单例模式的，但如果在类上面加上  @Scope("prototype")  注解，就表明这个对象是原型模式，它的低层其实就是拷贝了一个容器中的对象实现的；

@Service
@Scope("prototype")
public class StudentService {
}

让我们看看java API里面一个用到了克隆对象的方法  java.util.Date:

/** 
 * Return a copy of this object. 
 */  
public Object clone() {  
    Date d = null;  
    try {  
        d = (Date)super.clone();  
        if (cdate != null) {  
            d.cdate = (BaseCalendar.Date) cdate.clone();  
        }  
    } catch (CloneNotSupportedException e) {} // Won't happen  
    return d;  
}

 

爱学习的童鞋发问：“介绍完了对象拷贝，那如果需要实现对象拷贝的话，有哪些方式呢？”  ，首先，这是个好问题， 让我们把掌声送给这位童鞋，这可问到点子上了，对象拷贝啊一共有3种方式，分别为

1. 浅拷贝
2. 深拷贝
3. 序列化深拷贝

接下来我们一个个地介绍它们的作用

 

拷贝引用 （不算拷贝，只是共用指针而已）

    有个聪明的同学马上就想出来了一个法子，并且站起来大声说：“脑师，我想到了，是不是这样的啊，（接着在电脑面前对着键盘一顿输出），先是画出一个流程图，然后敲了一段代码，这也太简单了吧， 我很聪明吧？嘿嘿”； 先看看这位童鞋画的图吧！

让我们在看看这位聪明的同学写的代码吧！

 public static void main(String[] args) {

        Student zhangsan = new Student(new StudentInfo("张三", 15));
        System.out.println("引用拷贝前张三的地址："+zhangsan);

        Student copy = zhangsan; // 拷贝对象
        System.out.println("引用拷贝后张三的地址："+copy);

        // 将名称改为李四
        System.out.println("将名称改为李四");
        zhangsan.getInfo().setName("李四");

        System.out.println("获取名称："+copy.getInfo().getName());
    }

可是运行之后，结果是这样的：
 

引用拷贝前张三的地址：com.clone.Student@66d3c617
引用拷贝后张三的地址：com.clone.Student@66d3c617
将名称改为李四
获取名称：李四

这样也没错，算是实现了拷贝对象，但注意看后面的，我把名称改为李四， 复制的对象也跟着改了；原来啊，虽然用了2个对象，但是呢，我们可以看到打印的toString() 的内存地址是一样的，所以本质上，虽然看上去复制了一个对象出来，其实本质上它们共用了一个引用，引向同一块内存地址；改了其中一个，另一个也会跟着改；

 

 

1、浅拷贝

    当然，我们还有另一种方式可以实现克隆后的对象会使用不同的地址，就是用 clone 的方式，Object 是所有类的父类，这个类有个方法叫做clone() 方法， 这个方法就是用来克隆用的，使用这个方法后，会为我们拷贝一份基本类型，但是不拷贝引用类型，这2个引用类型也是指向同一块内存地址的；  所以，浅拷贝只会拷贝基本数据类型，不会拷贝引用类型，基本数据类型会分配一块新的内存地址来存储，引用类型用的是同一块内存地址

注意：使用clone() 方法必须先实现  Cloneable  接口，否则会报错；

我们看看代码是怎么实现的吧

package com.clone;
import java.util.ArrayList;
/**
 * 浅拷贝
 */
public class ShallowCopy {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ArrayList<String> subjectList = new ArrayList<>();
        subjectList.add("数学");
        subjectList.add("语文");
        Student zhangsan = new Student("张三", 15, subjectList);
        Object clone = zhangsan.clone();
        System.out.println("浅拷贝前张三的地址：" + zhangsan);
        System.out.println("浅拷贝后张三的地址：" + clone);

        Student student = (Student) clone;

        // 将名称改为李四
        System.out.println("将浅拷贝后的名称改为李四，科目增加体育");
        student.setName("李四");
        student.getSubjectList().add("体育");

        System.out.println("获取浅拷贝修改后名称：" + student.getName());
        System.out.println("获取浅拷贝修改后科目：" + student.getSubjectList());

        System.out.println("获取浅拷贝前名称：" + zhangsan.getName());
        System.out.println("获取浅拷贝前科目：" + zhangsan.getSubjectList());
    }
}

// 学生类
class Student implements Cloneable {   // 实现Cloneable 接口
    // 名称
    private String name;
    // 年龄，基本数据类型
    private int age;
    // 科目列表 ，引用类型
    private ArrayList<String> subjectList;

    public Student(String name, int age, ArrayList<String> subjectList) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.subjectList = subjectList;
    }
    public String getName() { return name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }
    public int getAge() { return age; }
    public void setAge(int age) { this.age = age; }
    public ArrayList<String> getSubjectList() { return subjectList; }
    public void setSubjectList(ArrayList<String> subjectList) { this.subjectList = subjectList; }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object clone = super.clone();  // 浅拷贝
        Student student = (Student) clone;
        return student;
    }
}

打印结果
 

浅拷贝前张三的地址：com.clone.Student@66d3c617
浅拷贝后张三的地址：com.clone.Student@63947c6b
将浅拷贝后的名称改为李四，科目增加体育
获取浅拷贝修改后名称：李四
获取浅拷贝修改后科目：[数学, 语文, 体育]
获取浅拷贝前名称：张三                     (因为拷贝了一份新的基本数据类型，所以修改后不会影响原对象)
获取浅拷贝前科目：[数学, 语文, 体育]        （引用对象未拷贝，修改后原对象的科目也跟着变化）

这下我们就可以看到，这里2个对象打印的内存地址已经不一样了，并且将张三改为李四，克隆对象也不受影响；

 

2、深拷贝

    在浅克隆中，对象的成员变量是基本数据类型（Integer 、Float、Char、Long 、Double、Short、Boolean、Byte、包括String ），但如果对象的成员变量也是一个对象,就需要把这个成员变量对象也克隆一份出来，如果不克隆对象类型的成员变量，那么它们本质上的数据还是指向同一块地址，所以我们既要克隆对象，也要克隆这个对象的成员变量；深拷贝会拷贝整个对象，会分配一块新的内存地址来存储数据

 

实现代码

package com.clone;
import java.util.ArrayList;
/**
 * 深拷贝
 */
public class DeepCopy {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ArrayList<String> subjectList = new ArrayList<>();
        subjectList.add("数学");
        subjectList.add("语文");
        Student zhangsan = new Student("张三", 15, subjectList);
        Object clone = zhangsan.clone();
        System.out.println("深拷贝前张三的地址：" + zhangsan);
        System.out.println("深拷贝后张三的地址：" + clone);

        Student student = (Student) clone;

        // 将名称改为李四
        System.out.println("将深拷贝后的名称改为李四，科目增加体育");
        student.setName("李四");
        student.getSubjectList().add("体育");
        
        System.out.println("获取深拷贝修改后名称：" + student.getName());
        System.out.println("获取深拷贝修改后科目：" + student.getSubjectList());

        System.out.println("获取深拷贝前名称：" + zhangsan.getName());
        System.out.println("获取深拷贝前科目：" + zhangsan.getSubjectList());
    }
}

// 学生类
class Student implements Cloneable {   // 实现Cloneable 接口
    // 名称
    private String name;
    // 年龄，基本数据类型
    private int age;
    // 科目列表 ，引用类型
    private ArrayList<String> subjectList;

    public Student(String name, int age, ArrayList<String> subjectList) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.subjectList = subjectList;
    }
    public String getName() { return name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }
    public int getAge() { return age; }
    public void setAge(int age) { this.age = age; }
    public ArrayList<String> getSubjectList() { return subjectList; }
    public void setSubjectList(ArrayList<String> subjectList) { this.subjectList = subjectList; }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object clone = super.clone();  // 浅拷贝
        Student student = (Student) clone;
        student.subjectList = (ArrayList<String>) this.subjectList.clone();  // 深拷贝
        return student;
    }
}

打印结果

深拷贝前张三的地址：com.clone.Student@66d3c617
深拷贝后张三的地址：com.clone.Student@63947c6b
将深拷贝后的名称改为李四，科目增加体育
获取深拷贝修改后名称：李四
获取深拷贝修改后科目：[数学, 语文, 体育]
获取深拷贝前名称：张三
获取深拷贝前科目：[数学, 语文]

 

 

3、序列化深拷贝（解决多层克隆问题）

     如果引用类型里面还包含很多引用类型，或者内层引用类型的类里面又包含引用类型，如果每个对象都去实现Cloneable 接口并重写clone方法的话，就会很麻烦。就像这种格式的对象：

这时我们可以用序列化的方式来实现对象的深克隆；序列化我们在学习javase基础的时候就已经学过了，用起来也是非常简单，只需要实现  Serializable 接口即可，通过 下面的代码例子可以看到，使用了更少的代码，并且不需要重写clone方法也可以实现对象深拷贝；

package com.clone;
import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 克隆对象--深拷贝--序列化拷贝
 */
public class SerialCloneObject {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<String> subjectList = new ArrayList<>();
        subjectList.add("数学");
        subjectList.add("语文");
        Student zhangsan = new Student("张三", 15,subjectList);
        System.out.println("序列化前张三的地址："+zhangsan);

        // 序列化
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = serialObject(zhangsan);

        // 反序列化
        Object o = deserialObject(byteArrayOutputStream);

        // 打印结果
        System.out.println("序列化后张三的地址："+o);

        Student student = (Student) o;

        //修改名称不会影响到深拷贝的对象
        System.out.println("将反序列化后的名称修改为：李四，并添加科目：体育");
        student.setName("李四");
        student.getSubjectList().add("体育");
        System.out.println("反序列化修改后的张三名称："+student.getName());
        System.out.println("反序列化修改后的张三科目："+student.getSubjectList());
        System.out.println("未序列化的张三科目："+zhangsan.getSubjectList());
    }

    // 序列化
    private static ByteArrayOutputStream serialObject(Object object) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);
        out.writeObject(object);
        // 关闭流
        byteArrayOutputStream.close();
        out.close();
        return byteArrayOutputStream;
    }

     // 反序列化
    private static Object deserialObject(ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(byteArrayOutputStream.toByteArray());
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream);
        Object o = in.readObject();

        // 关闭流
        byteArrayInputStream.close();
        in.close();
        return o;
    }
}
// 学生类
class Student implements Serializable {   // 实现Serializable 接口
    // 名称
    private String name;
    // 年龄，基本数据类型
    private int age;
    // 科目列表 ，引用类型
    private List<String> subjectList;

    public Student(String name,int age,List<String > subjectList){
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.subjectList = subjectList;
    }

    public String getName() { return name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }
    public int getAge() { return age; }
    public void setAge(int age) { this.age = age; }
    public List<String> getSubjectList() { return subjectList; }
    public void setSubjectList(List<String> subjectList) { this.subjectList = subjectList; }
}

打印结果

序列化前张三的地址：com.clone.Student@66d3c617
序列化后张三的地址：com.clone.Student@1ddc4ec2
将反序列化后的名称修改为：李四，并添加科目：体育
反序列化修改后的张三名称：李四
反序列化修改后的张三科目：[数学, 语文, 体育]
未序列化的张三科目：[数学, 语文]