【Java设计模式003】原型模式

概述

原型模式解决的主要问题是如何快速的复制一个已经存在的对象，一个普遍的做法是构建一个属于相同类的对象，然后遍历原始对象的所有属性值并复制到新对象中。这样的做法有一些问题，不是每一个对象都可以通过这种方式进行复制，且这么做的编程代价过高，比方说：

class Main{
    public static void main(String[] args) {
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "red");
        new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
    }
}

这样做比较好理解，简单易于操作，但是复制对象的效率很低（现在只有三个参数需要处理）。而原型模式就可以解决这个问题，原型模式是用于创建重复的对象，同时又能保证性能的一种模式，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。

原型模式的角色如下：

• 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的 clone() 方法，一般也只有这么一个方法。
• 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
• 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

原型模式的优点在于：

1. 你可以克隆对象，而无需与它们所属的具体类相耦合；
2. 你可以克隆预生成原型，避免反复运行初始化代码；
3. 你可以更方便地生成复杂对象；
4. 你可以用继承以外的方式来处理复杂对象的不同配置；

原型模式的缺点在于：

1. 克隆包含循环引用的复杂对象可能会非常麻烦。

实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆：

浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

Java 中的 Object类提供了 clone() 方法，该方法实现了浅克隆，在 Java 中 Cloneable 接口就是原型模式中的抽象原型类，而任何实现了 Cloneable 接口的类就是具体原型类，代码如下：

public class Realizetype implements Cloneable {
    public Realizetype() {
        System.out.println("具体原型创建完成");
    }

    @Override
    protected Realizetype clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功");
        return (Realizetype) super.clone();
    }
}

测试类：

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Realizetype prototye = new Realizetype();
        Realizetype clonedObject = prototye.clone();
        // false
        System.out.println(prototye == clonedObject);
    }
}

上面的拷贝方式是浅拷贝，如果需要实现深拷贝，可以考虑使用序列化、反序列化的方式进行实现，示例代码如下：

public class Sheep implements Cloneable, Serializable {
    ...
    // 深克隆方法
    public Sheep deepClone() throws IOException {
        //创建对象流对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(Files.newInputStream(Paths.get("a.txt")));
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(Files.newOutputStream(Paths.get("a.txt")));

        try {
            //序列化
            oos.writeObject(this);

            //反序列化
            Sheep newSheep = (Sheep) ois.readObject();

            return newSheep;
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            oos.close();
            ois.close();
        }
    }
}

小结一下，原型模式的实现思想如下：

1. 创建抽象原型类，声明克隆方法；
2. 创建具体原型类，实现抽象原型类，重写克隆方法；
3. 客户端使用原型对象；

应用

1. 如果你需要复制一些对象，同时又希望代码独立于这些对象所属的具体类，可以使用原型模式；
2. 如果子类的区别仅在于其对象的初始化方式，那么你可以使用该模式来减少子类的数量，这么做的话客户端不必根据子类进行实例化，只需要找到合适的原型然后进行克隆即可；
3. 当一个对象的构建代价过高时。例如某个对象里面的数据需要访问数据库才能拿到，而我们却要多次构建这样的对象；
4. 当构建的多个对象，均需要处于某种原始状态时，就可以先构建一个拥有此状态的原型对象，其他对象基于原型对象来修改。

个人认为原型模式的一个重要应用在于减少保护性拷贝的代码量，保护性拷贝是指为了防止客户端对类的约束条件产生破坏，传递对象的时候要进行拷贝，一个简单的示例如下：

public class Period {
    private final Date start;
    private final Date end;

    public Period(Date start, Date end) {
        this.start = new Date(start.getTime());
        this.end = new Date(end.getTime());

        if (this.start.compareTo(end) > 0){
            throw new IllegalArgumentException(this.start + "after" + this.end);
        }
    }

    public Date getStart() {
        // 直接return会破坏类
        return new Date(start.getTime());
    }

    public Date getEnd() {
        // 直接return会破坏类
        return new Date(end.getTime());
    }
}

类的约束条件是开始时间要小于结束时间，且这两个成员变量是私有的，但是如果 getter 方法中直接返回原始对象，那么就会破坏原本的约束，也就是说如果一个类从客户端得到或者返回一个可变组件，那么就必须进行保护性拷贝。如果使用了原型模式，直接返回要进行保护对象的 clone() 方法的返回值即可，这样大大减少了代码的书写量。

除此之外还可以创建一个中心化原型注册表，用于存储常用原型。可以新建一个工厂类来实现注册表，或者添加一个静态方法，不管是哪一种方式，这些方法必须能够根据客户端代码设定的条件进行搜索。搜索条件可以是简单的字符串，或者是一组复杂的搜索参数。找到合适的原型后，注册表应对原型进行克隆，并将复制生成的对象返回给客户端。

往期回顾

1. 【Java设计模式002】工厂模式
2. 【Java设计模式001】单例模式

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