设计模式解密（18）- 原型模式

Posted 2020-10-01 与其临渊羡鱼，不如退而结网

1、简介

定义：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型来创建新的对象。

功能：①是通过克隆来创建新的对象实例；②是为克隆出来的新的对象实例复制原型实例属性的值。

本质：通过克隆来创建新的对象实例。

英文：Prototype

类型：创建型

2、类图及组成

（引）类图：

组成：

　　Prototype：声明一个克隆自身的接口，用来约束想要克隆自己的类，要求它们都要实现这里定义的克隆方法。

　　ConcretePrototype：实现Prototype接口的类，这些类真正实现了克隆自身的功能。

　　Client：使用原型的客户端，首先要获取到原型实例对象，然后通过原型实例克隆自身来创建新的对象实例。

 

标准代码结构：

/**
 * 先来看看原型接口的定义 ： 声明一个克隆自身的接口
 */
public interface Prototype {
    /**
     * 克隆自身的方法
     * @return 一个从自身克隆出来的对象
     */
    public Prototype clone();
}

/**
 * 具体的原型实现对象 ： 克隆的具体实现对象
 * 为了跟上面原型模式的结构示意图保持一致，因此这两个具体的原型实现对象，都没有定义属性。事实上，在实际使用原型模式的应用中，原型对象多是有属性的，克隆原型的时候也是需要克隆原型对象的属性的，特此说明一下。
 */
public class ConcretePrototype implements Prototype {
    public Prototype clone() {
       //最简单的克隆，新建一个自身对象，由于没有属性，就不去复制值了
       Prototype prototype = new ConcretePrototype();
       return prototype;
    }
}

/**
 * 使用原型的客户端
 */
public class Client {
    /**
     * 持有需要使用的原型接口对象
     */
    private Prototype prototype;
    
    /**
     * 构造方法，传入需要使用的原型接口对象
     * @param prototype 需要使用的原型接口对象
     */
    public Client(Prototype prototype){
        this.prototype = prototype;
    }
    
    /**
     * 示意方法，执行某个功能操作
     */
    public void operation(){
        //会需要创建原型接口的对象
        Prototype newPrototype = prototype.clone();
    }
}

上面的代码组成是为了让大家清楚了解原型模式的结构，Java中已经提供Cloneable接口，所以在实现原型模式不必在实现Prototype原型接口，直接实现Cloneable接口即可；

Java实现原型模式的两个要点：

1、实现Cloneable接口。在java语言有一个Cloneable接口，它的作用只有一个，就是在运行时通知虚拟机可以安全地在实现了此接口的类上使用clone方法。在java虚拟机中，只有实现了这个接口的类才可以被拷贝，否则在运行时会抛出 CloneNotSupportedException异常。

2、重写Object类中的clone方法。Java中，所有类的父类都是Object类，Object类中有一个clone方法，作用是返回对象的一个拷贝，但是其作用域protected类型的，一般的类无法调用，因此，Prototype类需要将clone方法的作用域修改为public类型。

Java原型模式代码结构：

public class PrototypeClass implements Cloneable{    
    //覆写父类Object方法  
    @Override  
    public PrototypeClass clone(){  
        PrototypeClass prototypeClass = null;  
        try {  
            prototypeClass = (PrototypeClass)super.clone();  
        } catch (CloneNotSupportedException e) {  
            //异常处理  
        }  
        return prototypeClass;  
    }  
} 

注意：

　　Object类的clone方法只会拷贝java中的8中基本类型以及他们的封装类型，另外还有String类型。对于数组、容器对象、引用对象等都不会拷贝，这就是浅拷贝。如果要实现深拷贝，必须将原型模式中的数组、容器对象、引用对象等另行拷贝。

3、浅拷贝与深拷贝

▶ 浅拷贝（shallow copy）

　　被复制对象的所有变量都含有与原来的对象相同的值(仅对于简单的值类型数据)，而所有的对其他对象的引用都仍然指向原来的对象。换言之，只负责克隆按值传递的数据（比如：基本数据类型、String类型）。

▶ 深拷贝 （deep copy）

　　被复制对象的所有的变量都含有与原来的对象相同的值，除去那些引用其他对象的变量。那些引用其他对象的变量将指向被复制过的新对象，而不再是原有的那些被引用的对象。换言之，除了浅度克隆要克隆的值外，还负责克隆引用类型的数据，基本上就是被克隆实例所有的属性的数据都会被克隆出来。

浅拷贝实例↓↓↓：

package com.designpattern.Prototype.shallowcopy;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;

/**
 * 计划
 * @author Json<<[e-mail]>>
 */
public class Plan implements Cloneable {
    //计划名称
    private String name;
    //任务级别
    private int level;
    //开始时间
    private Date startdate;
    //截止时间
    private Date enddate;
    //执行人员
    private List<String> executors = new ArrayList<String>();
    
    @Override
    public Plan clone(){
        try {
            return (Plan) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Date getStartdate() {
        return startdate;
    }

    public void setStartdate(Date startdate) {
        this.startdate = startdate;
    }

    public Date getEnddate() {
        return enddate;
    }

    public void setEnddate(Date enddate) {
        this.enddate = enddate;
    }

    public List<String> getExecutors() {
        return executors;
    }

    public void setExecutors(List<String> executors) {
        this.executors = executors;
    }

    public int getLevel() {
        return level;
    }
    
    public void setLevel(int level) {
        this.level = level;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "[name=" + name + ", level=" + level + ", startdate=" + startdate + ", enddate=" + enddate
                + ", executors=" + executors + "]";
    }
}

测试：

package com.designpattern.Prototype.shallowcopy;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import com.designpattern.utils.DateFormatUtil;

/**
 * 测试
 * @author Json<<[e-mail]>>
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> executors = new ArrayList<String>();
        executors.add("张三");
        executors.add("李四");
        
        Plan plan = new Plan();
        plan.setName("重构前端登录界面");
        plan.setLevel(1);
        plan.setStartdate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-07"));
        plan.setEnddate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-09"));
        plan.setExecutors(executors);
        
        Plan plan2 = plan.clone();
        plan2.setName("后端接口改造");
        plan2.setLevel(2);
        plan2.setStartdate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-10"));
        plan2.setEnddate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-12"));
        
        System.out.println("地址是否一样？"+(plan == plan2));
        System.out.println("plan.getName() == plan2.getName() "+(plan.getName() == plan2.getName()));
        System.out.println("plan.getLevel() == plan2.getLevel() "+(plan.getLevel() == plan2.getLevel()));
        System.out.println("plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() "+(plan.getStartdate() == plan2.getStartdate()));
        System.out.println("plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() "+(plan.getEnddate() == plan2.getEnddate()));
        System.out.println("plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() "+(plan.getExecutors() == plan2.getExecutors()));
        System.out.println("plan:"+plan.toString());
        System.out.println("plan2:"+plan2.toString());
        
        //plan任务比较重，在给plan添加一个人
        executors.add("王五");
        plan.setExecutors(executors);
        
        System.out.println();
        System.out.println("地址是否一样？"+(plan == plan2));
        System.out.println("plan.getName() == plan2.getName() "+(plan.getName() == plan2.getName()));
        System.out.println("plan.getLevel() == plan2.getLevel() "+(plan.getLevel() == plan2.getLevel()));
        System.out.println("plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() "+(plan.getStartdate() == plan2.getStartdate()));
        System.out.println("plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() "+(plan.getEnddate() == plan2.getEnddate()));
        System.out.println("plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() "+(plan.getExecutors() == plan2.getExecutors()));
        System.out.println("plan:"+plan.toString());
        System.out.println("plan2:"+plan2.toString());
    }
}

结果：

地址是否一样？false
plan.getName() == plan2.getName() false
plan.getLevel() == plan2.getLevel() false
plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() false
plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() false
plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() true
plan:[name=重构前端登录界面, level=1, startdate=Mon Aug 07 00:00:00 CST 2017, enddate=Wed Aug 09 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四]]
plan2:[name=后端接口改造, level=2, startdate=Thu Aug 10 00:00:00 CST 2017, enddate=Sat Aug 12 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四]]

地址是否一样？false
plan.getName() == plan2.getName() false
plan.getLevel() == plan2.getLevel() false
plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() false
plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() false
plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() true
plan:[name=重构前端登录界面, level=1, startdate=Mon Aug 07 00:00:00 CST 2017, enddate=Wed Aug 09 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四, 王五]]
plan2:[name=后端接口改造, level=2, startdate=Thu Aug 10 00:00:00 CST 2017, enddate=Sat Aug 12 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四, 王五]]

通过上面的实例，大家发现没有，对于引用类型List，修改plan的List，plan2也随着变化了，这就是浅拷贝带来的问题；

 

深拷贝实例（修改浅拷贝实例）↓↓↓：

package com.designpattern.Prototype.deepcopy;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;

/**
 * 计划
 * @author Json<<[e-mail]>>
 */
public class Plan implements Cloneable {
    //计划名称
    private String name;
    //任务级别
    private int level;
    //开始时间
    private Date startdate;
    //截止时间
    private Date enddate;
    //执行人员
    private List<String> executors = new ArrayList<String>();
    
    @Override
    public Plan clone(){
        try {
            Plan plan = (Plan) super.clone();
            //引用类型的属性，需要处理
            if(this.getExecutors() != null){
                List<String> _executors = new ArrayList<String>();
                for(String s : this.getExecutors()){
                    _executors.add(s);
                }
                plan.setExecutors(_executors);
            }
            
            return plan;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Date getStartdate() {
        return startdate;
    }

    public void setStartdate(Date startdate) {
        this.startdate = startdate;
    }

    public Date getEnddate() {
        return enddate;
    }

    public void setEnddate(Date enddate) {
        this.enddate = enddate;
    }

    public List<String> getExecutors() {
        return executors;
    }

    public void setExecutors(List<String> executors) {
        this.executors = executors;
    }

    public int getLevel() {
        return level;
    }
    
    public void setLevel(int level) {
        this.level = level;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "[name=" + name + ", level=" + level + ", startdate=" + startdate + ", enddate=" + enddate
                + ", executors=" + executors + "]";
    }
    
}

测试（没改动）：

package com.designpattern.Prototype.deepcopy;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import com.designpattern.utils.DateFormatUtil;

/**
 * 测试
 * @author Json<<[e-mail]>>
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> executors = new ArrayList<String>();
        executors.add("张三");
        executors.add("李四");
        
        Plan plan = new Plan();
        plan.setName("重构前端登录界面");
        plan.setLevel(1);
        plan.setStartdate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-07"));
        plan.setEnddate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-09"));
        plan.setExecutors(executors);
        
        Plan plan2 = plan.clone();
        plan2.setName("后端接口改造");
        plan2.setLevel(2);
        plan2.setStartdate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-10"));
        plan2.setEnddate(DateFormatUtil.stringToDate(DateFormatUtil.YYYYMMDD,"2017-08-12"));
        
        System.out.println("地址是否一样？"+(plan == plan2));
        System.out.println("plan.getName() == plan2.getName() "+(plan.getName() == plan2.getName()));
        System.out.println("plan.getLevel() == plan2.getLevel() "+(plan.getLevel() == plan2.getLevel()));
        System.out.println("plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() "+(plan.getStartdate() == plan2.getStartdate()));
        System.out.println("plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() "+(plan.getEnddate() == plan2.getEnddate()));
        System.out.println("plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() "+(plan.getExecutors() == plan2.getExecutors()));
        System.out.println("plan:"+plan.toString());
        System.out.println("plan2:"+plan2.toString());
        
        //plan任务比较重，在给plan添加一个人
        executors.add("王五");
        plan.setExecutors(executors);
        
        System.out.println();
        System.out.println("地址是否一样？"+(plan == plan2));
        System.out.println("plan.getName() == plan2.getName() "+(plan.getName() == plan2.getName()));
        System.out.println("plan.getLevel() == plan2.getLevel() "+(plan.getLevel() == plan2.getLevel()));
        System.out.println("plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() "+(plan.getStartdate() == plan2.getStartdate()));
        System.out.println("plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() "+(plan.getEnddate() == plan2.getEnddate()));
        System.out.println("plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() "+(plan.getExecutors() == plan2.getExecutors()));
        System.out.println("plan:"+plan.toString());
        System.out.println("plan2:"+plan2.toString());
    }
}

结果：

地址是否一样？false
plan.getName() == plan2.getName() false
plan.getLevel() == plan2.getLevel() false
plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() false
plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() false
plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() false
plan:[name=重构前端登录界面, level=1, startdate=Mon Aug 07 00:00:00 CST 2017, enddate=Wed Aug 09 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四]]
plan2:[name=后端接口改造, level=2, startdate=Thu Aug 10 00:00:00 CST 2017, enddate=Sat Aug 12 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四]]

地址是否一样？false
plan.getName() == plan2.getName() false
plan.getLevel() == plan2.getLevel() false
plan.getStartdate() == plan2.getStartdate() false
plan.getEnddate() == plan2.getEnddate() false
plan.getExecutors() == plan2.getExecutors() false
plan:[name=重构前端登录界面, level=1, startdate=Mon Aug 07 00:00:00 CST 2017, enddate=Wed Aug 09 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四, 王五]]
plan2:[name=后端接口改造, level=2, startdate=Thu Aug 10 00:00:00 CST 2017, enddate=Sat Aug 12 00:00:00 CST 2017, executors=[张三, 李四]]

到这里，大家对原型模式的浅拷贝、深拷贝有了一定了解了吧！

4、优缺点

优点：

　　1、对客户端隐藏具体的实现类型：原型模式的客户端，只知道原型接口的类型，并不知道具体的实现类型，从而减少了客户端对这些具体实现类型的依赖。

　　2、在运行时动态改变具体的实现类型：原型模式可以在运行期间，由客户来注册符合原型接口的实现类型，也可以动态的改变具体的实现类型，看起来接口没有任何变化，但其实运行的已经是另外一个类实例了。因为克隆一个原型就类似于实例化一个类。

缺点：

　　深度克隆方法实现会比较困难：原型模式最大的缺点就在于每个原型的子类都必须实现clone的操作，尤其在包含引用类型的对象时，clone方法会比较麻烦，必须要能够递归的让所有的相关对象都要正确的实现克隆。

5、应用场景

　　1、一个系统想要独立于它想要使用的对象时，可以使用原型模式，让系统只面向接口编程，在系统需要新的对象的时候，可以通过克隆原型来得到；

　　2、需要实例化的类是在运行时刻动态指定时，可以使用原型模式，通过克隆原型来得到需要的实例；

　　3、创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。

　　.......

6、扩展总结

Java中对象的创建：

clone就是复制，在Java中，clone方法被对象调用，所以会复制对象。所谓的复制对象，首先要分配一个和源对象同样大小的空间，在这个空间中创建一个新的对象。

那么在java语言中，有几种方式可以创建对象呢？

　　1、使用new操作符创建一个对象

　　2、使用clone方法复制一个对象

那么这两种方式有什么相同和不同呢？

　　▶ new操作符的本意是分配内存。程序执行到new操作符时，首先去看new操作符后面的类型，因为知道了类型，才能知道要分配多大的内存空间。分配完内存之后，再调用构造函数，填充对象的各个域，这一步叫做对象的初始化，构造方法返回后，一个对象创建完毕，可以把他的引用（地址）发布到外部，在外部就可以使用这个引用操纵这个对象。

　　▶ clone在第一步是和new相似的，都是分配内存，调用clone方法时，分配的内存和源对象（即调用clone方法的对象）相同，然后再使用原对象中对应的各个域，填充新对象的域，填充完成之后，clone方法返回，一个新的相同的对象被创建，同样可以把这个新对象的引用发布到外部。

clone 方法需要满足的几个原则：

　　x.clone() != x，两个对象不是一个；

　　x.clone().getClass() == x.getClass()，两个对象的class是同一个；

　　x.clone().equals(x)，两个应该满足equals()方法条件；

注意：

　　Object类的clone方法只会拷贝java中的8中基本类型以及他们的封装类型，另外还有String类型。对于数组、容器对象、引用对象等都不会拷贝，这就是浅拷贝。如果要实现深拷贝，必须将原型模式中的数组、容器对象、引用对象等另行拷贝。

 

PS： 要使用clone方法，类的成员变量上不要增加final关键字。

PS：深拷贝和浅拷贝建议不要混合使用，特别是是在涉及到类的继承，父类有多个引用的情况就非常的复杂，建议的方案是深拷贝和浅拷贝分开实现。

PS：java实现真正的深拷贝，可以通过实现Serializable接口用序列化的办法来实现。

 

PS：源码地址   https://github.com/JsonShare/DesignPattern/tree/master 

  

PS：原文地址 http://www.cnblogs.com/JsonShare/p/7300124.html