【Java笔记+踩坑】设计模式——原型模式

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目录

零、经典的克隆羊问题（复制10只属性相同的羊）

一、传统方案：循环new对象

1.1 实现方案

1.2 优缺点和改进思路 

二、原型模式（Prototype模式）

2.1 基本介绍

2.2 原理

2.2.1 UML图：原型接口、具体原型类、客户端代码

2.2.2 代码演示

2.3 原型模式解决克隆羊问题

2.4 优缺点和使用场景 

2.4.1 优点

2.4.2 缺点

2.4.3 适用场景

三、扩展

3.1 Spring源码中的原型模式：ApplicationContext类的getBean()方法

3.2 浅拷贝和深拷贝

3.2.1 浅拷贝：引用类型变量拷贝引用

3.2.2 深拷贝：引用类型变量拷贝值

---

零、经典的克隆羊问题（复制10只属性相同的羊）

问题描述：现在有一只羊，姓名为 Tom，年龄为 1，颜色为白色，请编写程序创建和 Tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

一、传统方案：循环new对象

1.1 实现方案

羊类：

public class Sheep {
    private String name;
    private Integer age;

    public Sheep(String name, Integer age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
}

克隆羊：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");
            System.out.println(sheep);
        }
    }
}

1.2 优缺点和改进思路 

传统方法优点

• 好理解，简单易操作

缺点：

• 每次获取再复制效率低：在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低
• 不灵活：总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态，不够灵活

改进的思路分析：Object 类的 clone() 方法

Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone 方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是对应的类必须实现Cloneable接口，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 ==> 原型模式

二、原型模式（Prototype模式）

2.1 基本介绍

原型模式（Prototype 模式）：用原型实例指定创建对象种类，并通过拷贝原型创建新的对象

原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节。

原理：将一个原型对象传给要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即对象.clone()

形象的理解：孙大圣拔出猴毛，变出其它孙大圣

创建型设计模式：关注如何有效地创建对象，以满足不同的需求和情境。

包括：单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式

2.2 原理

2.2.1 UML图：原型接口、具体原型类、客户端代码

• Prototype：原型类。包含一个用于复制对象的克隆方法。可以使用Cloneable接口作为原型接口。
• ConcretePrototype：具体原型类。实现原型接口、重写克隆方法clone()的具体类。
• Client：让一个原型对象克隆自己，创建一个属性相同的对象

2.2.2 代码演示

原型接口： 可以是Cloneable接口也可以是自定义带clone()方法的接口

// 步骤1：定义原型接口
interface Prototype extends Cloneable {
    Prototype clone();
}

具体原型类： 

// 步骤2：实现具体原型类
class ConcretePrototype implements Prototype {
    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            return (Prototype) super.clone(); // 使用浅拷贝
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

客户端代码： 通过clone()方法创建原型对象

// 步骤3：客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
//创建具体类对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
//通过clone方法创建对象
        ConcretePrototype clonedObject = (ConcretePrototype) prototype.clone();
    }
}

2.3 原型模式解决克隆羊问题

问题回顾：

 现在有一只羊，姓名为 Tom，年龄为 1，颜色为白色，请编写程序创建和 Tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

UML 类图

原型接口：Cloneable接口。

具体原型类：实现Cloneable接口

@Data
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private Integer age;
    private String color;

    public Sheep(String name, Integer age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }


    @Override
    protected Object clone() {
        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep) super.clone();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return sheep;
    }
}

客户端： 调用具体原型类的clone()方法创建10个对象

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();
            System.out.println(sheep1);
        }
    }
}

2.4 优缺点和使用场景 

2.4.1 优点

• 构造方法复杂时开销小：如果构造函数的逻辑很复杂，此时通过new创建该对象会比较耗时，那么就可以尝试使用克隆来生成对象。
• 运行时动态创建对象：不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
• 开闭原则（OCP原则）：如果原始对象发生变化（增加或者减少属性），其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需更改客户端代码。相反，如果使用new方式，就需要在客户端修改构造参数。这使得系统更加灵活和可维护。
• 对象封装性：原型模式可以帮助保护对象的封装性，因为客户端代码无需了解对象的内部结构，只需知道如何克隆对象。
• 多态性：原型模式支持多态性，因为克隆操作可以返回具体子类的对象，而客户端代码不需要关心对象的具体类。

扩展：

开闭原则（OCP原则）：代码对修改关闭，对扩展开放。

2.4.2 缺点

• 构造方法简单时开销大：如果构造函数的逻辑很简单，原型模式的效率不如new，因为JVM对new做了相应的性能优化。

• //验证构造方法简单时，原型模式开销大
          long startTime = System.currentTimeMillis();
          Student student = new Student();
          //克隆循环十万次
          for (int i = 0; i < 100000; i++) {
              student.clone();
          }
          long midTime = System.currentTimeMillis();
  //20ms
          System.out.println("克隆生成对象耗费的时间:" + (midTime - startTime) + "ms");
          //new10万次
          for (int i = 0; i < 100000; i++) {
              new Student();
          }
  //5ms
          System.out.println("new生成对象耗费的时间:" + (System.currentTimeMillis() - midTime) + "ms");
  

• 要注意深拷贝和浅拷贝问题：实现Cloneable接口时，如果具体原型类直接返回super.clone()，则是浅拷贝。克隆的对象里，引用类型变量只拷贝引用，依然指向旧的地址。
• 代码复杂性：在实现深拷贝的时候可能需要比较复杂的代码。设计模式一般都是以代码复杂性为代价，提高可扩展性、可读性。

2.4.3 适用场景

1. 构造方法复杂：要创建的对象构造方法逻辑很复杂，即创建新的对象比较复杂时，使用原型模式会比直接new效率更高；
2. 经常需要克隆：经常要创建一个和原对象属性相同的对象时，可以考虑原型模式。

三、扩展

3.1 Spring源码中的原型模式：ApplicationContext类的getBean()方法

Spring 框架Bean的生命周期中，ApplicationContext类的getBean()方法中，有用到原型模式。

获取Bean时会判断配置的Bean是单例还是原型，如果是原型，则用原型模式创建Bean。

验证：bean指定原型模式后，getBean()获取到的多个Bean是不同对象。

@Component("id01")
@Scope("prototype")
public class Monster {
    private String name;
    private int health;

    public Monster() {
        // 默认构造函数
    }

    public Monster(String name, int health) {
        this.name = name;
        this.health = health;
    }

    // 添加其他属性和方法
}

也可以用xml形式注册Bean：

测试： 

public class ProtoType {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
        // 通过ID获取Monster
        Object bean = applicationContext.getBean("id01");
        System.out.println("bean: " + bean); // 输出“牛魔王"....
        Object bean2 = applicationContext.getBean("id01");
        System.out.println("bean2: " + bean2); // 输出“牛魔王"....
        System.out.println(bean == bean2); // false
    }
}

注解方式是@Scope("prototype")。

回顾：

手写Spring源码（简化版）-CSDN博客

3.2 浅拷贝和深拷贝

3.2.1 浅拷贝：引用类型变量拷贝引用

• 浅拷贝：拷贝后对象是新地址，基本类型变量拷贝值，引用类型变量拷贝引用。只复制某个对象的引用，而不复制对象本身，新旧对象还是共享同一块内存。
• 深拷贝：拷贝后对象是新地址，基本类型变量拷贝值，引用类型变量拷贝克隆后的值。创造一个一摸一样的对象，新对象和原对象不共享内存，修改新对象不会改变原对对象。反序列化创建对象是深拷贝。

实现方案：具体原型类直接返回super.clone()

实现Cloneable 接口，重写 clone()方法， 直接返回super.clone()。

public class Person implements Cloneable {    //虽然clone()是Object类的方法，但Java规定必须得实现一下这个接口
    public int age;//基本类型变量拷贝值

    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public Person clone() {
        try {
            return (Person) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person(18);
        Person p2 = p1.clone();    //p2将是p1浅拷贝的对象
        p2.age = 20;

        System.out.println(p1 == p2); // false。拷贝后对象是新地址
        System.out.println(p1.age); // 18。基本类型变量拷贝值
    }
}

3.2.2 深拷贝：引用类型变量拷贝值

深拷贝：拷贝后对象是新地址，基本类型变量拷贝值，引用类型变量拷贝克隆后的值。创造一个一摸一样的对象，新对象和原对象不共享内存，修改新对象不会改变原对对象。反序列化创建对象是深拷贝。 

实现方案：具体原型类专门克隆引用类型变量

实现Cloneable 接口，重写 clone()方法， 给super.clone()的引用类型成员变量也clone()一下，然后再返回克隆的对象。 

public class Person implements Cloneable {
    public int age;//基本类型变量拷贝值
    public int[] arr = new int[] {1, 2, 3};

    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public Person clone() {
        try {
            Person person = (Person) super.clone();
            person.arr = this.arr.clone(); // 用引用类型的 clone 方法，引用类型变量拷贝克隆后的值
            return person;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            return null;
        }
    }
}