原型模式

原型模式

原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式之一。

这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。

概要

原型模式

意图：使用原型实例指定要创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象。

主要解决：在运行时动态建立和删除原型。

何时使用

• 系统应独立于产品的创建、构成和表示。
• 需要在运行时指定实例化的类，例如通过动态加载。
• 避免创建与产品类层次平行的工厂类层次。
• 类的实例只能有几种不同状态组合，克隆原型比手工实例化更方便。

如何解决

通过已有的一个原型对象，快速生成与原型对象相同的实例。

关键代码

• 实现克隆操作：
  • 在 Java 中，实现 Cloneable 接口，重写 clone() 方法。
  • 在 .NET 中，使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法实现浅拷贝，或通过序列化实现深拷贝。
• 隔离类对象的使用者和具体类型之间的耦合关系，要求"易变类"拥有稳定的接口。

应用实例

• 细胞分裂
• Java 中的 Object.clone() 方法

优点

• 性能提高
• 避免构造函数的约束

缺点

• 配备克隆方法需要全面考虑类的功能，对已有类可能较难实现，特别是处理不支持串行化的间接对象或含有循环结构的引用时。
• 必须实现 Cloneable 接口。

使用场景

• 资源优化
• 类初始化需要消耗大量资源（如数据、硬件资源）
• 性能和安全要求高的场景
• 通过 new 创建对象需要复杂的数据准备或访问权限时
• 一个对象需要多个修改者
• 对象需提供给其他对象访问并可能被各个调用者修改时
• 通常与工厂方法模式一起使用，通过 clone 创建对象，然后由工厂方法提供给调用者

注意事项

与直接实例化类创建新对象不同，原型模式通过拷贝现有对象生成新对象。浅拷贝通过实现 Cloneable 实现，深拷贝通过实现 Serializable 读取二进制流实现。

结构

原型模式包含以下几个主要角色：

• 原型接口（Prototype Interface）：定义一个用于克隆自身的接口，通常包括一个 clone() 方法。
• 具体原型类（Concrete Prototype）：实现原型接口的具体类，负责实际的克隆操作。这个类需要实现 clone() 方法，通常使用浅拷贝或深拷贝来复制自身。
• 客户端（Client）：使用原型实例来创建新的对象。客户端调用原型对象的 clone() 方法来创建新的对象，而不是直接使用构造函数。

实现

我们将创建一个抽象类 Shape 和扩展了 Shape 类的实体类。下一步是定义类 ShapeCache，该类把 shape 对象存储在一个 Hashtable 中，并在请求的时候返回它们的克隆。

PrototypePatternDemo 类使用 ShapeCache 类来获取 Shape 对象。

步骤 1

创建一个实现了 Cloneable 接口的抽象类。

Shape.java

public abstract class Shape implements Cloneable {
   
   private String id;
   protected String type;
   
   abstract void draw();
   
   public String getType(){
      return type;
   }
   
   public String getId() {
      return id;
   }
   
   public void setId(String id) {
      this.id = id;
   }
   
   public Object clone() {
      Object clone = null;
      try {
         clone = super.clone();
      } catch (CloneNotSupportedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return clone;
   }
}

步骤 2

创建扩展了上面抽象类的实体类。

Rectangle.java

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

Square.java

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

Circle.java

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

步骤 3

创建一个类，从数据库获取实体类，并把它们存储在一个 Hashtable 中。

ShapeCache.java

import java.util.Hashtable;
 
public class ShapeCache {
    
   private static Hashtable<String, Shape> shapeMap 
      = new Hashtable<String, Shape>();
 
   public static Shape getShape(String shapeId) {
      Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
      return (Shape) cachedShape.clone();
   }
 
   // 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状
   // shapeMap.put(shapeKey, shape);
   // 例如，我们要添加三种形状
   public static void loadCache() {
      Circle circle = new Circle();
      circle.setId("1");
      shapeMap.put(circle.getId(),circle);
 
      Square square = new Square();
      square.setId("2");
      shapeMap.put(square.getId(),square);
 
      Rectangle rectangle = new Rectangle();
      rectangle.setId("3");
      shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle);
   }
}

步骤 4

PrototypePatternDemo 使用 ShapeCache 类来获取存储在 Hashtable 中的形状的克隆。

PrototypePatternDemo.java

public class PrototypePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeCache.loadCache();
 
      Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());        
 
      Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());        
 
      Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());        
   }
}

步骤 5

执行程序，输出结果：

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle