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。
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。
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。
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）》