设计模式04_原型模式_Prototype

1. 简介

原型模式是一种简单、易使用的创建型设计模式，通过给出一个原型对象来指明所创建的对象的类型，然后用复制这个原型对象的办法创建出更多同类型的对象。原型模式要求对象实现一个可以“克隆”自身的接口，这样就可以通过复制一个实例对象本身来创建一个新的实例。这样一来，通过原型实例创建新的对象，就不再需要关心这个实例本身的类型，只要实现了克隆自身的方法，就可以通过这个方法来获取新的对象，而无须再去通过new来创建。

2.UML

protyotype

（1）客户角色：客户类提出创建对象的请求。
（2）抽象原型角色：这是一个抽象角色，通常由一个java接口或抽象类实现，具体原型都需要实现该接口。
（3）具体原型角色：客户端所需要的被复制的对象。

我们都知道Object是祖宗，所有的Java类都继承至Object，而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，因此在java中可以直接使用clone()方法来复制一个对象。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体复制的能力，如果不实现该接口而直接调用clone()方法会抛出CloneNotSupportedException异常。

Java中任何实现了Cloneable接口的类都可以通过调用clone()方法来复制一份自身然后传给调用者。一般而言，clone()方法满足：
(1) 对任何的对象x，都有x.clone() !=x，即克隆对象与原对象不是同一个对象。
(2) 对任何的对象x，都有x.clone().getClass()==x.getClass()，即克隆对象与原对象的类型一样。
(3) 如果对象x的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。

3. 示例

抽象原型角色

public interface Prototype{
    public Prototype clone();
    public String getName();
    public void setName(String name);
}

具体原型角色

public class ConcretePrototype1 implements Prototype {
    private String name;
    public Prototype clone(){
        ConcretePrototype1 prototype = new ConcretePrototype1();
        prototype.setName(this.name);
        return prototype;
    }
    public String toString(){
        return "Now in Prototype1 , name = " + this.name;
    }
    @Override
    public String getName() {
        return name;
    }

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

public class ConcretePrototype2 implements Prototype {
    private String name;
    public Prototype clone(){
        ConcretePrototype2 prototype = new ConcretePrototype2();
        prototype.setName(this.name);
        return prototype;
    }
    public String toString(){
        return "Now in Prototype2 , name = " + this.name;
    }
    @Override
    public String getName() {
        return name;
    }

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

原型管理器角色保持一个聚集，作为对所有原型对象的登记，这个角色提供必要的方法，供外界增加新的原型对象和取得已经登记过的原型对象。

public class PrototypeManager {
    /**
     * 用来记录原型的编号和原型实例的对应关系
     */
    private static Map map = new HashMap();
    /**
     * 私有化构造方法，避免外部创建实例
     */
    private PrototypeManager(){}
    /**
     * 向原型管理器里面添加或是修改某个原型注册
     * @param prototypeId 原型编号
     * @param prototype    原型实例
     */
    public synchronized static void setPrototype(String prototypeId , Prototype prototype){
        map.put(prototypeId, prototype);
    }
    /**
     * 从原型管理器里面删除某个原型注册
     * @param prototypeId 原型编号
     */
    public synchronized static void removePrototype(String prototypeId){
        map.remove(prototypeId);
    }
    /**
     * 获取某个原型编号对应的原型实例
     * @param prototypeId    原型编号
     * @return    原型编号对应的原型实例
     * @throws Exception    如果原型编号对应的实例不存在，则抛出异常
     */
    public synchronized static Prototype getPrototype(String prototypeId) throws Exception{
        Prototype prototype = map.get(prototypeId);
        if(prototype == null){
            throw new Exception("您希望获取的原型还没有注册或已被销毁");
        }
        return prototype;
    }
}

客户端角色

public class Client {
    public static void main(String[]args){
        try{
            Prototype p1 = new ConcretePrototype1();
            PrototypeManager.setPrototype("p1", p1);
            //获取原型来创建对象
            Prototype p3 = PrototypeManager.getPrototype("p1").clone();
            p3.setName("张三");
            System.out.println("第一个实例：" + p3);
            //有人动态的切换了实现
            Prototype p2 = new ConcretePrototype2();
            PrototypeManager.setPrototype("p1", p2);
            //重新获取原型来创建对象
            Prototype p4 = PrototypeManager.getPrototype("p1").clone();
            p4.setName("李四");
            System.out.println("第二个实例：" + p4);
            //有人注销了这个原型
            PrototypeManager.removePrototype("p1");
            //再次获取原型来创建对象
            Prototype p5 = PrototypeManager.getPrototype("p1").clone();
            p5.setName("王五");
            System.out.println("第三个实例：" + p5);
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4.深拷贝与浅拷贝

无论你是自己实现克隆方法，还是采用Java提供的克隆方法，都存在一个浅度克隆和深度克隆的问题。

浅度克隆
　　只负责克隆按值传递的数据（比如基本数据类型、String类型），而不复制它所引用的对象，换言之，所有的对其他对象的引用都仍然指向原来的对象。

深度克隆
　　除了浅度克隆要克隆的值外，还负责克隆引用类型的数据。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，深度克隆把要复制的对象所引用的对象都复制了一遍，而这种对被引用到的对象的复制叫做间接复制。深度克隆要深入到多少层，是一个不易确定的问题。在决定以深度克隆的方式复制一个对象的时候，必须决定对间接复制的对象时采取浅度克隆还是继续采用深度克隆。因此，在采取深度克隆时，需要决定多深才算深。此外，在深度克隆的过程中，很可能会出现循环引用的问题，必须小心处理。

image.png

另外，可能会有疑惑，这样一种原型模式相比赋值构造函数有什么优势呢？

Base b = new Derived();

现在要克隆b怎么办?
只有Derived(b),但是如果只有抽象基类的调用接口(Base) 则你根本不知道具体要实例化哪个类(Derived),而且你也不需要知道,所以根本无法克隆.这时原形模式就显现优势了 即只要调用clone 函数即可.

5. 优缺点

原型模式的优点
　　原型模式允许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，也可以动态地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。

原型模式的缺点
　　原型模式最主要的缺点是每一个类都必须配备一个克隆方法。配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类来说不是很难，而对于已经有的类不一定很容易，特别是当一个类引用不支持序列化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。