每天学习一个设计模式(十一):创建型之原型模式

一、基本概念

原型模式(Prototype Pattern)的简单程度仅次于单例模式和迭代器模式。正是由于简单,使用的场景才非常地多,其定义如下:Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance,and create new objects by copyingthis prototype.(用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型创建新的对象。)

二、通俗解释

PROTOTYPE 原型模式:跟MM用QQ聊天,一定要说些深情的话语了,我搜集了好多肉麻的情话,需要时只要copy出来放到QQ里面就行了,这就是我的情话prototype了。(100块钱一份,你要不要) 原始模型模式:通过给出一个原型对象来指明所要创建的对象的类型,然后用复制这个原型对象的方法创建出更多同类型的对象。原始模型模式允许动态的增加或减少产品类,产品类不需要非得有任何事先确定的等级结构,原始模型模式适用于任何的等级结构。缺点是每一个类都必须配备一个克隆方法。

广告邮件的例子

既然是广告邮件,肯定需要一个模板,然后再从数据库中把客户的信息一个一个地取出,放到模板中生成一份完整的邮件,然后扔给发送机进行发送处理,类图如下图所示。

每天学习一个设计模式(十一):创建型之原型模式_第1张图片

在类图中AdvTemplate是广告信的模板,一般都是从数据库取出,生成一个BO或者是DTO,我们这里使用一个随机生成的静态的值来作代表;Mail类是一封邮件类,发送机发送的就是这个类。我们先来看AdvTemplate类。

public class AdvTmeplate {
    /**
     * 广告信名称
     */
    private String advSubject = "XX银行国庆信用卡抽奖活动";
    /**
     * 广告信内容
     */
    private String advContent = "国庆抽奖活动通知:只要刷卡就送你一百万!";
    /**
     * 取得广告信的名称
     */
    public String getAdvSubject() {
        return this.advSubject;
    }
    /**
     * 获取广告信的内容
     */
    public String getAdvContent() {
        return this.advContent;
    }
}

邮件类

public class Mail {
    /**
     * 收件人
     */
    private String receiver;
    /**
     * 邮件名称
     */
    private String subject;
    /**
     * 称谓
     */
    private String appellation;
    /**
     * 邮件内容
     */
    private String content;
    /**
     * 邮件的尾部,一般都是加上“xxx版权所有”等信息
     */
    private String tail;

    /**
     * 构造函数
     * @param advTmeplate
     */
    public Mail(AdvTmeplate advTmeplate) {
        this.subject = advTmeplate.getAdvSubject();
        this.content = advTmeplate.getAdvContent();
    }
    // ...getter/setter方法
}

Mail类就是一个业务对象,虽然比较长,还是比较简单的。我们再来看业务场景类是如何对邮件继续处理的。

场景类

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        //模拟发送邮件
        int i = 0;
        //把模板定义出来
        Mail mail = new Mail(new AdvTmeplate());
        mail.setTail("XX银行版权所有");
        //发送账单的数量,这个值本应该是从数据库中获得,咱把它写死
        int maxCount = 6;
        while (i < maxCount) {
            //以下是每封邮件不同的地方
            mail.setAppellation(getRandString(5) + "先生(女士)");
            mail.setReceiver(getRandString(5) + "@" + getRandString(8) + ".com");
            //然后发送邮件
            sendMail(mail);
            i++;
        }
    }

    /**
     * 发送邮件
     *
     * @param mail
     */
    private static void sendMail(Mail mail) {
        System.out.println("标题:" + mail.getSubject() + "\t收件人:"
                + mail.getReceiver() + "\t...发送成功!");
    }

    /**
     * 获得指定长度的随机字符串
     *
     * @param maxLength
     * @return String
     */
    private static String getRandString(int maxLength) {
        String source = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        Random rand = new Random();
        for (int i = 0; i < maxLength; i++) {
            sb.append(source.charAt(rand.nextInt(source.length())));
        }
        return sb.toString();
    }
}

运行结果如下所示:

标题:XX银行国庆信用卡抽奖活动    收件人:[email protected]    ...发送成功!
标题:XX银行国庆信用卡抽奖活动    收件人:[email protected]    ...发送成功!
标题:XX银行国庆信用卡抽奖活动    收件人:[email protected]    ...发送成功!
标题:XX银行国庆信用卡抽奖活动    收件人:[email protected]    ...发送成功!
标题:XX银行国庆信用卡抽奖活动    收件人:[email protected]    ...发送成功!
标题:XX银行国庆信用卡抽奖活动    收件人:[email protected]    ...发送成功!

由于是随机数,每次运行都有所差异,不管怎么样,我们这个电子账单发送程序是编写出来了,也能正常发送。我们再来仔细地想想,这个程序是否有问题?Look here,这是一个线程在运行,也就是你发送的是单线程的,那按照一封邮件发出去需要0.02秒(够小了,你还要到数据库中取数据呢),600万封邮件需要33个小时,也就是一个整天都发送不完,今天的没发送完,明天的账单又产生了,日积月累,激起甲方人员一堆抱怨,那怎么办?

好办,把sendMail修改为多线程,但是只把sendMail修改为多线程还是有问题的呀,产生第一封邮件对象,放到线程1中运行,还没有发送出去;线程2也启动了,直接就把邮件对象mail的收件人地址和称谓修改掉了,线程不安全了。说到这里,你会说这有N多种解决办法,其中一种是使用一种新型模式来解决这个问题:通过对象的复制功能来解决这个问题,类图稍做修改,如图所示。

每天学习一个设计模式(十一):创建型之原型模式_第2张图片

增加了一个Cloneable接口(Java自带的一个接口),Mail实现了这个接口,在Mail类中覆写clone()方法,我们来看Mail类的改变。

public class Mail implements Cloneable{
    /**
     * 收件人
     */
    private String receiver;
    /**
     * 邮件名称
     */
    private String subject;
    /**
     * 称谓
     */
    private String appellation;
    /**
     * 邮件内容
     */
    private String content;
    /**
     * 邮件的尾部,一般都是加上“xxx版权所有”等信息
     */
    private String tail;

    /**
     * 构造函数
     * @param advTmeplate
     */
    public Mail(AdvTmeplate advTmeplate) {
        this.subject = advTmeplate.getAdvSubject();
        this.content = advTmeplate.getAdvContent();
    }

    @Override
    public Mail clone() {
        Mail mail = null;
        try {
            mail = (Mail)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            //异常处理
            e.printStackTrace();
        }
        return mail;
    }
    // ...getter/setter方法
}

注意看粗体部分,实现了一个接口,并重写了clone方法,大家可能看着这个类有点奇怪,先保留你的好奇,我们继续讲下去,稍后会给你清晰的答案。我们再来看场景Client的变化。

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        //模拟发送邮件
        int i = 0;
        //把模板定义出来
        Mail mail = new Mail(new AdvTmeplate());
        mail.setTail("XX银行版权所有");
        //发送账单的数量,这个值本应该是从数据库中获得,咱把它写死
        int maxCount = 6;
        while (i < maxCount) {
            //以下是每封邮件不同的地方
            Mail cloneMail = mail.clone();
            cloneMail.setAppellation(getRandString(5) + "先生(女士)");
            cloneMail.setReceiver(getRandString(5) + "@" + getRandString(8) + ".com");
            //然后发送邮件
            sendMail(cloneMail);
            i++;
        }
    }
    //...方法不变
}

运行结果不变,一样完成了电子广告信的发送功能,而且sendMail即使是多线程也没有关系。注意,看Client类中的粗体字mail.clone()这个方法,把对象复制一份,产生一个新的对象,和原有对象一样,然后再修改细节的数据,如设置称谓、设置收件人地址等。这种不通过new关键字来产生一个对象,而是通过对象复制来实现的模式就叫做原型模式。

三、原型模式详解

1.通用模板

原型模式的通用类图如图所示。

每天学习一个设计模式(十一):创建型之原型模式_第3张图片

简单,太简单了!原型模式的核心是一个clone方法,通过该方法进行对象的拷贝,Java提供了一个Cloneable接口来标示这个对象是可拷贝的,为什么说是“标示”呢?翻开JDK的帮助看看Cloneable是一个方法都没有的,这个接口只是一个标记作用,在JVM中具有这个标记的对象才有可能被拷贝。那怎么才能从“有可能被拷贝”转换为“可以被拷贝”呢?方法是覆盖clone()方法,是的,你没有看错是重写clone()方法,看看我们上面Mail类中的clone方法。

@Override
public Mail clone(){}

注意,在clone()方法上增加了一个注解@Override,没有继承一个类为什么可以覆写呢?想想看,在Java中所有类的老祖宗是谁?对嘛,Object类,每个类默认都是继承了这个类,所以用覆写是非常正确的——覆写了Object类中的clone方法!

在Java中原型模式是如此简单,我们来看通用源代码。

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

实现一个接口,然后重写clone方法,就完成了原型模式!

2.原型模式的使用场景

 ●  资源优化场景

类初始化需要消化非常多的资源,这个资源包括数据、硬件资源等。

 ●  性能和安全要求的场景

通过new产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限,则可以使用原型模式。

 ●  一个对象多个修改者的场景

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。

在实际项目中,原型模式很少单独出现,一般是和工厂方法模式一起出现,通过clone的方法创建一个对象,然后由工厂方法提供给调用者。原型模式已经与Java融为一体,大家可以随手拿来使用。

3.原型模式的优点

 ●  性能优良

原型模式是在内存二进制流的拷贝,要比直接new一个对象性能好很多,特别是要在一个循环体内产生大量的对象时,原型模式可以更好地体现其优点。

 ●  逃避构造函数的约束

这既是它的优点也是缺点,直接在内存中拷贝,构造函数是不会执行的。优点就是减少了约束,缺点也是减少了约束,需要大家在实际应用时考虑。

4.注意事项

原型模式虽然很简单,但是在Java中使用原型模式也就是clone方法还是有一些注意事项的,我们通过几个例子逐个解说。

构造函数不会被执行

一个实现了Cloneable并重写了clone方法的类A,有一个无参构造或有参构造B,通过new关键字产生了一个对象S,再然后通过S.clone()方式产生了一个新的对象T,那么在对象拷贝时构造函数B是不会被执行的。我们来写一小段程序来说明这个问题。

public class Thing implements Cloneable {
    public Thing(){
        System.out.println("构造函数被执行了...");
    }
    @Override
    public Thing clone(){
        Thing thing = null;
        try {
            thing = (Thing) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return thing;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //产生一个对象
        Thing thing = new Thing();
        //拷贝一个对象
        Thing cloneThing = thing.clone();
    }
}

运行结果如下所示:

构造函数被执行了...

对象拷贝时构造函数确实没有被执行,这点从原理来讲也是可以讲得通的,Object类的clone方法的原理是从内存中(具体地说就是堆内存)以二进制流的方式进行拷贝,重新分配一个内存块,那构造函数没有被执行也是非常正常的了。

浅拷贝和深拷贝

在解释什么是浅拷贝和什么是深拷贝之前,我们先来看个例子。在Thing类中增加一个私有变量arrayLis,类型为ArrayList,然后通过setValue和getValue分别进行设置和取值。

public class Thing implements Cloneable {
    /**
     * 定义一个私有变量
     */
    private ArrayList arrayList = new ArrayList<>();

    @Override
    public Thing clone() {
        Thing thing = null;
        try {
            thing = (Thing) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return thing;
    }

    /**
     * 设置list的值
     */
    public void setValue(String value) {
        this.arrayList.add(value);
    }

    /**
     * 取得list的值
     */
    public ArrayList getValue() {
        return this.arrayList;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //产生一个对象
        Thing thing = new Thing();
        //设置一个值
        thing.setValue("张三");
        //拷贝一个对象
        Thing cloneThing = thing.clone();
        cloneThing.setValue("李四");
        System.out.println(thing.getValue());
    }
}

猜想一下运行结果应该是什么?是仅一个“张三”吗?运行结果如下所示:

[张三,李四]

怎么会这样呢?怎么会有李四呢?是因为Java做了一个偷懒的拷贝动作,Object类提供的方法clone只是拷贝本对象,其对象内部的数组、引用对象等都不拷贝,还是指向原生对象的内部元素地址,这种拷贝就叫做浅拷贝。确实是非常浅,两个对象共享了一个私有变量,你改我改大家都能改,是一种非常不安全的方式,在实际项目中使用还是比较少的(当然,这也是一种“危机”环境的一种救命方式)。你可能会比较奇怪,为什么在Mail那个类中就可以使用String类型,而不会产生由浅拷贝带来的问题呢?内部的数组和引用对象才不拷贝,其他的原始类型比如int、long、char等都会被拷贝,但是对于String类型,Java就希望你把它认为是基本类型,它是没有clone方法的,处理机制也比较特殊,通过字符串池(stringpool)在需要的时候才在内存中创建新的字符串,读者在使用的时候就把String当做基本类使用即可。

注意 使用原型模式时,引用的成员变量必须满足两个条件才不会被拷贝:一是类的成员变量,而不是方法内变量;二是必须是一个可变的引用对象,而不是一个原始类型或不可变对象。

浅拷贝是有风险的,那怎么才能深入地拷贝呢?我们修改一下程序就可以深拷贝。

public class Thing implements Cloneable {
    /**
     * 定义一个私有变量
     */
    private ArrayList arrayList = new ArrayList<>();

    @Override
    public Thing clone() {
        Thing thing = null;
        try {
            thing = (Thing) super.clone();
            thing.arrayList = (ArrayList) this.arrayList.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return thing;
    }
}

仅仅对私有的类变量进行独立的拷贝。Client类没有任何改变,运行结果如下所示:

[张三]

该方法就实现了完全的拷贝,两个对象之间没有任何的瓜葛了,你修改你的,我修改我的,不相互影响,这种拷贝就叫做深拷贝。深拷贝还有一种实现方式就是通过自己写二进制流来操作对象,然后实现对象的深拷贝,这个大家有时间自己实现一下。

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

clone与final两个冤家

对象的clone与对象内的final关键字是有冲突的,我们举例来说明这个问题。

public class Thing implements Cloneable {
    /**
     * 定义一个私有变量
     */
    private final ArrayList arrayList = new ArrayList<>();

    @Override
    public Thing clone() {
        Thing thing = null;
        try {
            thing = (Thing) super.clone();
            thing.arrayList = (ArrayList) this.arrayList.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return thing;
    }
}

仅仅增加了一个final关键字,然后编译器就报错,正常呀,final类型你还想重赋值呀!你要实现深拷贝的梦想在final关键字的威胁下破灭了,路总是有的,我们来想想怎么修改这个方法:删除掉final关键字,这是最便捷、安全、快速的方式。你要使用clone方法,在类的成员变量上就不要增加final关键字。

注意 要使用clone方法,类的成员变量上不要增加final关键字。

原型模式先产生出一个包含大量共有信息的类,然后可以拷贝出副本,修正细节信息,建立了一个完整的个性对象。不知道大家有没有看过施瓦辛格演的《第六日》这部电影,电影的主线也就是一个人被复制,然后正本和副本对掐。我们今天讲的原型模式也就是由一个正本可以创建多个副本的概念。可以这样理解:一个对象的产生可以不由零起步,直接从一个已经具备一定雏形的对象克隆,然后再修改为生产需要的对象。也就是说,产生一个人,可以不从1岁长到2岁,再到3岁……也可以直接找一个人,从其身上获得DNA,然后克隆一个,直接修改一下就是30岁了!我们讲的原型模式也就是这样的功能。


参考秦小波的《设计模式之禅(第2版)》

你可能感兴趣的:(设计模式,设计模式,java,编程语言,大数据,面试)