设计模式-原型模式

1 原型模式介绍

原型模式(Prototype)是一个创建型的模式,原型模式是有一个共有信息的样板实例,然后拷贝这个样板实例,而复制后的实例就是所谓的“原型”,这个原型是可以修改的。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以使程序运行更高效。

2 原型模式定义

用原型实例指定创建对象的种类,并通过拷贝这些原型创建新的对象

3 原型模式UML类图

原型模式-UML类图

在原型模式中有如下角色:

  • Client:客户端角色。
  • Prototype:抽象原型角色,抽象类或者接口,用来声明clone方法。
  • ConcretePrototype:具体的原型类,是客户端角色使用的对象,即被复制的对象。

4 原型模式的使用场景

  1. 类初始化需要消耗非常多的资源,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产生一个独享需要非常频繁的数据准备或访问权限。
  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。

5 原型模式使用示例

下面我们模拟一个发送短信的例子,来看下原型模式的简单使用:
其中Message类扮演的是ConcretePrototypeCloneable就是Prototype
具体的原型类:

public class Message implements Cloneable{
    private String name;
    private double money;

    public Message() {
        System.out.println("执行构造函数Message");
    }

    public void setMessage(String name, double money) {
        this.name = name;
        this.money = money;
    }

    @NonNull
    @Override
    public Message clone() {
        Message message = null;
        try {
            message = (Message) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return message;
    }

    public void sendMessage(){
        System.out.println(name +"您好:您今天消费了"+money+"元");
    }
}

Message 类实现了Cloneable接口,它是一个标识接口,表示这个对象是可拷贝的,只要重写clone方法就可以实现拷贝。

这里需要注意的是clone方法并不是Cloneable接口中的,而是Object中的方法。

下面我们看下客户端实现:

public class MbClient {
    public static void main(String[] args){
        Message message = new Message();
        message.setMessage("张三",100);

        Message message1 = message.clone();
        message1.setMessage("李四",200);

        Message message2 = message.clone();
        message2.setMessage("王五",300);

        message.sendMessage();
        message1.sendMessage();
        message2.sendMessage();
    }
}

我们可以看到李四和王五的消息是通过clone方法克隆的,而clone方法是不会执行构造函数的。输出的结果如下:

//执行构造函数Message
//张三您好:您今天消费了100.0元
//李四您好:您今天消费了200.0元
//王五您好:您今天消费了300.0元

如果Message 类没有实现了Cloneable接口,就去直接调用clone方法,就会抛出异常。输出结果如下:

执行构造函数Message
java.lang.CloneNotSupportedException: com.monkey.myapplication.mbdemo.Message
    at java.lang.Object.clone(Native Method)
    at com.monkey.myapplication.mbdemo.Message.clone(Message.java:27)
    at com.monkey.myapplication.mbdemo.MbClient.main(MbClient.java:13)
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at com.monkey.myapplication.mbdemo.MbClient.main(MbClient.java:14)

6 浅拷贝和深拷贝

由于Object类提供的clone方法,不会拷贝对象中的内部数组和引用对象,所以就有了浅拷贝和深拷贝。

6.1 浅拷贝

我们继续使用发送短信的例子来看下浅拷贝,在Message类中有一个消费明细对象。

public class Message implements Cloneable{
    private String name; //姓名
    private ExpenseDetail detail;//消费明细

    public Message() {
        System.out.println("执行构造函数Message");
        detail = new ExpenseDetail();
    }

    public void setMessage(String name, String type,double money) {
        this.name = name;
        this.detail.setType(type);
        this.detail.setMoney(money);
    }

    @NonNull
    @Override
    public Message clone() {
        Message message = null;
        try {
            message = (Message) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return message;
    }

    public void sendMessage(){
        System.out.println(name +"您好:您今天"+detail.getType()+"消费了"+detail.getMoney()+"元");
    }
}

消费明细类

public class ExpenseDetail{
    private String type;
    private double money;

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void setType(String type) {
        this.type = type;
    }

    public double getMoney() {
        return money;
    }

    public void setMoney(double money) {
        this.money = money;
    }
}

客户端类

public class MbClient {
    public static void main(String[] args){
        Message message = new Message();
        message.setMessage("张三","吃饭",10);

        Message message1 = message.clone();
        message1.setMessage("李四","看电影",50);

        Message message2 = message.clone();
        message2.setMessage("王五","买书",100);

        message.sendMessage();
        message1.sendMessage();
        message2.sendMessage();
    }
}

输出的结果如下:

执行构造函数Message
张三您好:您今天买书消费了100.0元
李四您好:您今天买书消费了100.0元
王五您好:您今天买书消费了100.0元

我们可以看到所有人的消费明细居然都一样,这是因为Object类提供的clone方法,不会拷贝对象中的内部数组和引用对象,导致它们仍旧指向原来对象的内部元素地址,这种拷贝叫做浅拷贝。
由此而导致最后一次的值会覆盖前一次的值。

6.2 深拷贝

public class Message implements Cloneable{
    ...
    
    @NonNull
    @Override
    public Message clone() {
        Message message = null;
        try {
            message = (Message) super.clone();
            message.detail = this.detail.clone();//拷贝消费明细
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return message;
    }
    ...

}

public class ExpenseDetail implements Cloneable{
    private String type;
    private double money;
    ...
    @NonNull
    @Override
    protected ExpenseDetail clone(){

        ExpenseDetail detail = null;
        try {
            detail = (ExpenseDetail) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return detail;
    }
}

使用浅拷贝的客户端代码再次执行后,输出的结果如下:

执行构造函数Message
张三您好:您今天吃饭消费了10.0元
李四您好:您今天看电影消费了50.0元
王五您好:您今天买书消费了100.0元

拷贝Message对象的同时,也将它内部的引用对象ExpenseDetail进行拷贝,使得每个拷贝的对象之间无任何关联,都指向了自身对应的ExpenseDetail,这种拷贝就是深拷贝。

7 总结

原型模式本质上就是对象拷贝。使用原型模式可以解决构建复杂对象的资源消耗问题,能够在某些场景下提升创建对象的效率,还有一个特点就是保护性拷贝,如果我们操作时,不会对原有的对象造成影响。

优点:
原型模式是在内存中二进制流的拷贝,要比new一个对象的性能要好,特别是需要生产大量对象时。

缺点:
直接在内存中拷贝,构造函数是不会执行的,这样就减少了约束,既是优点也是缺点,在实际开发当中应注意这个问题。

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