设计模式系列:创建型-原型模式(Prototype Pattern)
简介
原型模式(Prototype Pattern)是一种创建型设计模式,用于快速、有效地创建对象。它的基本思想是通过复制一个已经存在的对象来创建一个新的对象,而不是通过传统的构造函数来创建对象。原型模式适用于大量创建相同类型对象的场景,可以避免重复的代码和资源浪费,提高程序的效率和可维护性。
原型模式的实现主要包括两部分:复制(深拷贝或浅拷贝)和实现克隆接口。在.NET框架中,已经为我们提供了一个ICloneable接口,实现了这个接口的对象可以执行深拷贝或浅拷贝操作。但是,使用这个接口需要小心处理敏感数据和对象依赖关系。
原型模式的适用场景主要包括需要大量创建相同类型对象的场景,例如工厂模式、游戏中的对象池等。通过使用原型模式,可以避免重复的代码和资源浪费,提高程序的效率和可维护性。
结构
原型模式包含如下角色:
- 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的的 clone() 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。
接口类图如下:
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类中提供了 clone()
方法来实现浅克隆。 Cloneable 接口是上面的类图中的抽象原型类,而实现了Cloneable接口的子实现类就是具体的原型类。代码如下:
Realizetype(具体的原型类):
public class Realizetype implements Cloneable {
public Realizetype() {
System.out.println("具体的原型对象创建完成!");
}
@Override
protected Realizetype clone() throws CloneNotSupportedException {
System.out.println("具体原型复制成功!");
return (Realizetype) super.clone();
}
}
PrototypeTest(测试访问类):
public class PrototypeTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Realizetype r1 = new Realizetype();
Realizetype r2 = r1.clone();
System.out.println("对象r1和r2是同一个对象?" + (r1 == r2));
}
}
案例实现
用原型模式生成“三好学生”奖状
同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同,其他都相同,可以使用原型模式复制多个“三好学生”奖状出来,然后在修改奖状上的名字即可。
类图如下:
代码如下:
//奖状类
public class Citation implements Cloneable {
private String name;
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return (this.name);
}
public void show() {
System.out.println(name + "同学:在2020学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。特发此状!");
}
@Override
public Citation clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Citation) super.clone();
}
}
//测试访问类
public class CitationTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Citation c1 = new Citation();
c1.setName("张三");
//复制奖状
Citation c2 = c1.clone();
//将奖状的名字修改李四
c2.setName("李四");
c1.show();
c2.show();
}
}
优缺点
原型模式的优点主要包括:
- 性能提高:通过复制已有对象来创建新对象,可以减少创建对象的开销,提高程序的性能。
- 避免构造函数约束:通过克隆已有对象,可以避免在构造函数中设置属性值的约束,使得对象的创建更加灵活。
- 减少代码重复:通过复制已有对象,可以避免重复编写相同的代码,提高代码的复用性。
然而,原型模式也存在一些缺点:
- 资源消耗:如果对象中有大量的数据或者存在复杂的关联关系,复制操作可能会消耗大量的时间和资源。
- 安全性问题:如果对象的创建和销毁涉及到敏感数据或者资源,原型模式可能会造成数据泄露或者资源浪费。
- 依赖关系处理:如果对象之间存在复杂的依赖关系,原型模式可能会引发循环引用的问题。
使用场景
- 对象的创建非常复杂,可以使用原型模式快捷的创建对象。
- 性能和安全要求比较高。
扩展(深克隆)
将上面的“三好学生”奖状的案例中Citation类的name属性修改为Student类型的属性。代码如下:
//奖状类
public class Citation implements Cloneable {
private Student stu;
public Student getStu() {
return stu;
}
public void setStu(Student stu) {
this.stu = stu;
}
void show() {
System.out.println(stu.getName() + "同学:在2020学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。特发此状!");
}
@Override
public Citation clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Citation) super.clone();
}
}
//学生类
public class Student {
private String name;
private String address;
public Student(String name, String address) {
this.name = name;
this.address = address;
}
public Student() {
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getAddress() {
return address;
}
public void setAddress(String address) {
this.address = address;
}
}
//测试类
public class CitationTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Citation c1 = new Citation();
Student stu = new Student("张三", "西安");
c1.setStu(stu);
//复制奖状
Citation c2 = c1.clone();
//获取c2奖状所属学生对象
Student stu1 = c2.getStu();
stu1.setName("李四");
//判断stu对象和stu1对象是否是同一个对象
System.out.println("stu和stu1是同一个对象?" + (stu == stu1));
c1.show();
c2.show();
}
}
运行结果为:
说明:
stu对象和stu1对象是同一个对象,就会产生将stu1对象中name属性值改为“李四”,两个Citation(奖状)对象中显示的都是李四。这就是浅克隆的效果,对具体原型类(Citation)中的引用类型的属性进行引用的复制。这种情况需要使用深克隆,而进行深克隆需要使用对象流。代码如下:
public class CitationTest1 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Citation c1 = new Citation();
Student stu = new Student("张三", "西安");
c1.setStu(stu);
//创建对象输出流对象
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\b.txt"));
//将c1对象写出到文件中
oos.writeObject(c1);
oos.close();
//创建对象出入流对象
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\b.txt"));
//读取对象
Citation c2 = (Citation) ois.readObject();
//获取c2奖状所属学生对象
Student stu1 = c2.getStu();
stu1.setName("李四");
//判断stu对象和stu1对象是否是同一个对象
System.out.println("stu和stu1是同一个对象?" + (stu == stu1));
c1.show();
c2.show();
}
}
运行结果为:
注意:Citation类和Student类必须实现Serializable接口,否则会抛NotSerializableException异常。
源码中的应用
JDK
java.lang.Object 类
Object
类中的 clone()
方法允许对象创建其浅表副本。
public class Object implements Cloneable {
public native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
}
Java 集合框架
Java 集合框架中的一些类提供了一种通过复制构造函数或者 clone()
方法来创建集合的副本的方式。
ArrayList<E> list = new ArrayList<>(originalList); // 通过复制构造函数创建 ArrayList 的副本
.Net Core
ICloneable 接口
.NET Core 提供了 ICloneable
接口,它定义了一个方法 Clone()
,用于创建当前对象的浅表副本。如果要实现深拷贝,则需要在实现类中自行处理。尽管 ICloneable
接口的使用并不推荐,但它提供了一种原型模式的潜在实现方式。
public interface ICloneable
{
object Clone();
}
System.Drawing.Image 类
.NET Core 中的 System.Drawing.Image
类提供了一个 Clone()
方法,用于创建当前图像的浅表副本。这个方法返回的副本与原始图像共享相同的图像数据,因此需要小心处理,以避免意外的共享。
public Image Clone();
微信:17873041739
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