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();

posted @ 2020-01-03 23:04 Code技术分享阅读(110) 评论(0) 编辑收藏举报

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