快速上手Java设计模式之原型模式

0 前言

在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效，就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。下面我们具体介绍下原型模式的定义与特点、原型模式的结构与实现、原型模式的应用实例、原型模式的应用场景和原型模式的扩展。

1 原型模式的定义与特点

原型（Prototype）模式的定义如下：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

2 原型模式的结构与实现

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。

1. 模式的结构

原型模式包含以下主要角色。

抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。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。

其结构图如图 1 所示。

图1 原型模式的结构图

2. 模式的实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆，Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下：

//具体原型类classRealizetypeimplementsCloneable{    Realizetype()    {System.out.println("具体原型创建成功！");    }publicObjectclone()throwsCloneNotSupportedException{System.out.println("具体原型复制成功！");return(Realizetype)super.clone();    }}//原型模式的测试类publicclassPrototypeTest{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsCloneNotSupportedException{Realizetype obj1=newRealizetype();        Realizetype obj2=(Realizetype)obj1.clone();System.out.println("obj1==obj2?"+(obj1==obj2));    }}

程序的运行结果如下：

具体原型创建成功！具体原型复制成功！obj1==obj2?false

3 原型模式的应用实例

【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。

分析：孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空，这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类，而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。

同前面介绍的猪八戒实例一样，由于要显示孙悟空的图像，所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类，里面包含了标签，用于保存孙悟空的图像。

另外，重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法，用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空，并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。

图2 孙悟空生成器的结构图

程序代码如下：

importjava.awt.*;importjavax.swing.*;classSunWukongextendsJPanelimplementsCloneable{privatestaticfinallongserialVersionUID =5543049531872119328L;publicSunWukong(){JLabel l1=newJLabel(newImageIcon("src/Wukong.jpg"));this.add(l1);    }publicObjectclone(){SunWukong w=null;try        {w=(SunWukong)super.clone();        }catch(CloneNotSupportedException e)        {System.out.println("拷贝悟空失败!");        }returnw;    }}publicclassProtoTypeWukong{publicstaticvoidmain(String[] args){JFrame jf=newJFrame("原型模式测试");jf.setLayout(newGridLayout(1,2));        Container contentPane=jf.getContentPane();SunWukong obj1=newSunWukong();        contentPane.add(obj1);              SunWukong obj2=(SunWukong)obj1.clone();        contentPane.add(obj2);          jf.pack();      jf.setVisible(true);        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);      }}

程序的运行结果如图 3 所示。

图3 孙悟空克隆器的运行结果

用原型模式除了可以生成相同的对象，还可以生成相似的对象，请看以下实例。

【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。

分析：同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同，其他都相同，属于相似对象的复制，同样可以用原型模式创建，然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。

图4 奖状生成器的结构图

程序代码如下：

publicclassProtoTypeCitation{publicstaticvoidmain(String[] args) throws CloneNotSupportedException    {citation obj1=newcitation("张三","同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。","韶关学院");        obj1.display();        citation obj2=(citation) obj1.clone();obj2.setName("李四");        obj2.display();    }}//奖状类classcitationimplementsCloneable{Stringname;Stringinfo;Stringcollege;citation(Stringname,Stringinfo,Stringcollege)    {this.name=name;this.info=info;this.college=college;System.out.println("奖状创建成功！");    }voidsetName(Stringname)    {this.name=name;    }StringgetName()    {return(this.name);    }voiddisplay()    {        System.out.println(name+info+college);    }publicObjectclone() throws CloneNotSupportedException    {System.out.println("奖状拷贝成功！");return(citation)super.clone();    }}

程序运行结果如下：

奖状创建成功！张三同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院奖状拷贝成功！李四同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院

4 原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景。

对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。对象的创建过程比较麻烦，但复制比较简单的时候。

5 原型模式的扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式，它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型，Client 类可

以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图 5 所示。

图5 带原型管理器的原型模式的结构图

【例3】用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型，并计算其面积。分析：本实例中由于存在不同的图形类，例如，“圆”和“正方形”，它们计算面积的方法不一样，所以需要用一个原型管理器来管理它们，图 6 所示是其结构图。

图6 图形生成器的结构图

程序代码如下：

import java.util.*;interfaceShapeextendsCloneable{publicObjectclone();//拷贝publicvoidcountArea();//计算面积}classCircleimplementsShape{publicObjectclone()    {Circle w=null;try        {            w=(Circle)super.clone();        }catch(CloneNotSupportedException e)        {System.out.println("拷贝圆失败!");        }returnw;    }publicvoidcountArea()    {intr=0;System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");Scanner input=newScanner(System.in);        r=input.nextInt();System.out.println("该圆的面积="+3.1415*r*r+"\n");    }}classSquareimplementsShape{publicObjectclone()    {Square b=null;try        {            b=(Square)super.clone();        }catch(CloneNotSupportedException e)        {System.out.println("拷贝正方形失败!");        }returnb;    }publicvoidcountArea()    {inta=0;System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");Scanner input=newScanner(System.in);        a=input.nextInt();System.out.println("该正方形的面积="+a*a+"\n");    }}classProtoTypeManager{privateHashMapht=newHashMap();publicProtoTypeManager()    {ht.put("Circle",newCircle());ht.put("Square",newSquare());    } publicvoidaddshape(String key,Shape obj)    {        ht.put(key,obj);    }publicShapegetShape(String key)    {Shape temp=ht.get(key);return(Shape) temp.clone();    }}publicclassProtoTypeShape{publicstaticvoidmain(String[] args)    {ProtoTypeManager pm=newProtoTypeManager();Shape obj1=(Circle)pm.getShape("Circle");        obj1.countArea();          Shape obj2=(Shape)pm.getShape("Square");        obj2.countArea();        }}

运行结果如下所示：

这是一个圆，请输入圆的半径：3该圆的面积=28.2735这是一个正方形，请输入它的边长：3该正方形的面积=9

参考文章：https://mp.weixin.qq.com/s/BziCqhWexl2PyFWzYRjUGg