Java 设计模式——原型模式

1.概述

（1）原型模式 (Prototype Pattern) 是一种创建型设计模式，是通过复制（克隆）现有对象来创建新对象的模式。它允许我们创建一个原型对象，然后通过复制该原型对象来创建新的对象，而无需通过实例化类来创建新的对象。

（2）在原型模式中，一个类将自身的实例作为原型，通过复制这个原型来创建新的对象。这个过程隐藏了对象的创建细节，而且可以提高创建对象的效率。

（3）原型模式基于对象的复制，可以分为浅拷贝和深拷贝两种形式：

• 浅拷贝：复制对象时，仅仅复制对象的引用，而不复制对象本身。新对象和原对象共享同一个引用，修改一个对象会影响到另一个对象。
• 深拷贝：复制对象时，不仅复制对象的引用，还复制对象本身，创建一个独立的对象。新对象和原对象互不影响，修改一个对象不会影响到另一个对象。

（4）在实现原型模式时，通常需要实现一个 Cloneable 接口（或类似的机制），该接口标识类具有复制自己的能力。具体的实现细节则根据语言和框架的不同而有所差异。

2.结构

（1）原型模式包含如下角色：

• 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的的 clone() 方法。
• 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
• 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

（2）接口类图如下：

3.实现

Java 中的 Object 类中提供了 clone() 方法来实现浅克隆。Cloneable 接口是上面的类图中的抽象原型类，而实现了 Cloneable 接口的子实现类就是具体的原型类。

3.1.浅拷贝

Address.java

public class Address {
    int id;
    String addressName;
    
    public Address(int id, String addressName) {
        this.id = id;
        this.addressName = addressName;
    }
}

Person.java

public class Person implements Cloneable{
    private int id;
    private String name;
    private Address address;
    
    public String getName() {
        return name;
    }
    
    public Person(int id, String name, Address address) {
        this.id = id;
        this.name = name;
        this.address = address;
        System.out.println("具体的原型对象创建完成！");
    }
    
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功！");
        return (Person) super.clone();
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", address=" + address +
                '}';
    }
    
}

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Person person1 = new Person(1, "小华", new Address(1, "北京"));
        Person person2 = (Person) person1.clone();
        System.out.println("person1: " + person1);
        System.out.println("person2: " + person2);
        System.out.println("person1.getName() == person2.getName() 的结果为: " + (person1.getName() == person2.getName()));
        System.out.println("person1 == person2 的结果为: " + (person1 == person2));
    }
}

输出结果如下图所示：

3.2.深拷贝

3.2.1.通过对象序列化实现深拷贝（推荐）

先将 Address 类和 Person 类实现 Serializable 接口，然后再修改 Client.java 中的代码即可。

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Person person1 = new Person(1,"小华",new Address(1,"北京"));
    
        //创建对象输出流对象
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("E:\\testData\\a.txt"));
        //写对象
        oos.writeObject(person1);
        //释放资源
        oos.close();
    
        //创建对象输入流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("E:\\testData\\a.txt"));
        //读取对象
        Person person2 = (Person) ois.readObject();
        //释放资源
        ois.close();
        
        System.out.println("person1:"+person1);
        System.out.println("person2:"+person2);
        System.out.println("person1.getName() == person2.getName()的结果为："+(person1.getName() == person2.getName()));
        System.out.println("person1 == person2的结果为："+(person1 == person2));
    }
}

3.2.2.重写 clone() 方法来实现深拷贝

public class Person implements Cloneable {
    private int id;
    private String name;
    private Address address;
    
    public String getName() {
        return name;
    }
    
    public Person(int id, String name, Address address) {
        this.id = id;
        this.name = name;
        this.address = address;
        System.out.println("具体的原型对象创建完成！");
    }
    
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功！");
        Person person = null;
        person = (Person)super.clone();
        //对引用数据类型单独处理
        person.name = new String(name);
        person.address = (Address)address.clone();
        return person;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", address=" + address +
                '}';
    }
}

4.优缺点

（1）原型模式具有以下优点：

• 减少对象的创建成本：原型模式通过复制现有对象来创建新对象，避免了使用构造函数的开销，提高了对象的创建效率。
• 简化对象的创建过程：使用原型模式，不需要关心对象的具体实现细节，只需复制一个现有对象即可得到新的对象，简化了对象的创建过程。
• 支持动态添加和修改对象的属性：可以通过修改现有对象的属性来创建新对象，避免了在代码中显式设置对象属性的麻烦。
• 提供了一种可扩展的创建方式：原型模式通过复制现有对象，可以创建出多个具有相同属性的对象，也可以根据需要修改部分属性，从而具有更高的灵活性和可扩展性。

（2）原型模式也存在一些缺点：

• 需要实现 Cloneable 接口或类似的机制：在一些语言和框架中，实现原型模式需要实现 Cloneable 接口或类似的机制，这对于某些编程语言来说可能需要额外的工作。
• 深拷贝可能较为复杂：如果需要复制的对象存在引用类型的成员变量，深拷贝可能需要额外的处理来确保所有引用对象也能被正确地复制。
• 对象复杂性限制：对于包含循环引用或复杂对象图的对象，可能会导致复制过程变得复杂或不可行。

（3）综上所述，原型模式在某些情况下可以提供高效、灵活和可扩展的对象创建方式，但使用时需注意克隆的实现细节和对象的复杂性。

5.使用场景

（1）原型模式适用于以下场景：

• 对象创建成本高：当对象的创建成本较高时，例如需要进行复杂的计算、数据读取或网络请求等操作，可以使用原型模式复制现有对象来提高创建效率。
• 对象初始化复杂：当对象的初始化过程较为复杂，包含多个步骤或依赖关系较多时，可以使用原型模式来复制一个已经初始化好的对象，避免重新执行初始化过程。
• 动态创建和定制对象：当需要根据一些条件动态创建和定制对象时，原型模式可以提供一种更加灵活的创建方式。通过复制现有对象并根据需要修改部分属性，即可创建出符合条件的新对象。
• 避免构造函数调用：在某些场景下，使用构造函数创建对象可能不可行或不符合需要。例如，某些框架中对象的创建由框架负责，通过原型模式可以避免直接调用构造函数。
• 对象的状态变化较小：当对象的状态变化较小，只是部分属性需要修改时，使用原型模式可以避免重新创建对象，提高了性能。

（2）总的来说，原型模式适用于需要复制和创建新对象的场景，尤其是在对象的创建成本较高或初始化复杂的情况下，使用原型模式可以提高创建效率和灵活性。