23天读懂23种设计模式：原型模式（创建型）

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创建型模式是用来创建对象的模式，抽象了实例化的过程，帮助一个系统独立于其他关联对象的创建、组合和表示方式。

原型模式目的：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，进而减少在创建新对象上的性能开销。

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原型模式也是创建型的设计模式之一，本文是设计模式系列（共24节）的第4篇文章。

设计模式都从六大原则出发进行总结：《第一节：设计模式的六大原则》

创建型设计模式共5种：

• 单例模式（Singleton Pattern）：一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

• 工厂方法模式（Factory Pattern）：在工厂方法模式中，工厂类成为了抽象类，实际的创建工作将由其具体子类来完成。

• 抽象工厂模式（Abstract Factory）：抽象工厂可以向客户提供一个接口，创建多个产品族中的产品对象，强调的是“对象系列”的变化。

• 建造者模式（Builder Pattern）：把构造对象实例的逻辑移到了类的内部，在类的外部定义了该类的构造逻辑，强调的是产品的构造过程。

• 原型模式（Prototype Pattern）：原型模式和工厂模式一样，同样对客户隐藏了对象创建工作具体的实现细节，通过复制一个现有的对象生成新对象。

原型模式是什么

Prototype（原型模式）属于创建型模式，既不是工厂也不是直接 New，而是以拷贝的方式创建对象。

原理：

Object 类的 clone() 方法是一个本地方法[参考：《JDK源码：Object类》]，它可以直接操作内存中的二进制流，所以性能相对 new 实例化来说，更加优秀。（由于 Java 提供了对象拷贝的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单）

结构图：

Client 是发出指令的客户端，Prototype 是一个接口，描述了一个对象如何克隆自身，比如必须拥有 clone() 方法，而 ConcretePrototype 就是克隆具体的实现，不同对象有不同的实现来拷贝自身。

原型模式的应用

原型模式一般结合工厂方法模式一起使用，通过工厂方法暴露的API，返回某一类型对象的拷贝值（深拷贝&浅拷贝取决开发者实现）。

举例子1：

我们通过抽象类定义了三种图形形状：三角形、圆形、矩形。图形的抽象类 Shape 实现了 Cloneable 接口，并且覆盖了 clone 方法，是Java版本原型模式的通用做法。

public abstract class Shape implements Cloneable {
  protected String type;
  // 定义动作
  abstract void draw();
  public void setType(String type) {
    this.type = type;
  }
  public String getType(){
    return type;
  }
  //克隆方法
  public Object clone() {
    Object clone = null;
    try {
      clone = super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return clone;
  }
}
public class Circle extends Shape {
  public Circle(){
    type = "Circle";
  }
  @Override
  public void draw() {
    System.out.println("Inside Circle::draw() method.");


  }
}
public class Square extends Shape {
  public Square(){
    type = "Square";
  }
  @Override
  public void draw() {
    System.out.println("Inside Square::draw() method.");
  }
}
public class Rectangle extends Shape {
  public Rectangle(){
    type = "Rectangle";
  }
  @Override
  public void draw() {
    System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
  }
}

接着我们对外提供一个工厂方法类：ShapeCacheFactory，它的作用是：初始化缓存池的原型对象 & 对外提供创建新对象的工厂方法API。

public class ShapeCacheFactory {


  //缓存池，保存多种图形的唯一对象。
  private static Hashtable shapeMap
      = new Hashtable();


  //结合工厂方法模式使用：当需要相同类型的图形时，从缓存池中取出对应的图形，然后复制一份给客户端。
  public static Shape getShape(String shapeId) {
    Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
    return (Shape) cachedShape.clone();
  }


  // 添加三种形状到缓存池：三角形、圆形、矩形
  public static void loadCache() {
    Circle circle = new Circle();
    circle.setType("Circle");
    shapeMap.put(circle.getType(),circle);


    Square square = new Square();
    square.setType("Square");
    shapeMap.put(square.getType(),square);


    Rectangle rectangle = new Rectangle();
    rectangle.setType("Rectangle");
    shapeMap.put(rectangle.getType(),rectangle);
  }
}

测试用例：

public class TestPrototypePattern {
  public static void main(String[] args) {
    //initialization
    ShapeCacheFactory.loadCache();


    //Circle Square Rectangle
    Shape clonedShape = (Shape) ShapeCacheFactory.getShape("Circle");
    System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());


    Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCacheFactory.getShape("Square");
    System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());


    Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCacheFactory.getShape("Rectangle");
    System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());
  }
}

结果输出：

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle

原型模式的优点

Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。因为相对 new 来说，clone() 少了调用构造函数。如果构造函数中存在大量属性初始化或大对象，则使用 clone() 的复制对象的方式性能会好一些。

原型模式的缺点

1、配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。

2、必须实现 Cloneable 接口。

原型模式在spring的使用

原型模式在开源框架中的应用也非常广泛，在使用了Spring的web工程中，除非特殊情况，我们都会选择使用Spring的IOC功能来管理Bean，而不是用到时去new一个。例如 Spring 中，@Service 默认都是单例的。

  Spring定义了多种作用域，可以基于这些作用域创建bean，包括：

• 单例（ Singleton）：在整个应用中，只创建bean的一个实例。 

• 原型（ Prototype）：每次注入或者通过Spring应用上下文获取的时候，都会创建一个新的bean实例。

因为Spring管理的Bean默认是单例的（即Spring创建好Bean，需要时就拿来用，而不是每次用到时都去new，又快性能又好），但有时候单例并不满足要求（例如出现的线程安全问题，参考《单例模式》），这时可以使用@Scope("prototype")注解，可以通知Spring把被注解的Bean变成多例。（篇幅所限，后续讲解spring源码时再一起详细探讨）

总结

本节主要讲解了原型模式的实现方法和优缺点，另外补充了spring源码使用到的原型模式案例：@Scope("prototype")。一般开发中，我们遇到需要大量复制同一对象的场景，使用原型模式都是不错的选择，且效率好。

另外，创建型设计模式还包括：抽象工厂模式和建造者模式，待后续我们再细细解读。

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