原形模式

前言

本篇是设计模式学习笔记的其中一篇文章,如对其他模式有兴趣,可从该地址查找设计模式学习笔记汇总地址

1. 原形模式

可以通过一个原型对象克隆出多个一模一样的对象，该模式称之为原型模式

2. 定义

原型模式(Prototype Pattern)：使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。

原型模式是一种对象创建型模式

3. 工作原理

将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝自己来实现创建过程。由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。

原型模式是一种“另类”的创建型模式，创建克隆对象的工厂就是原型类自身，工厂方法由克隆方法来实现

4. 注意事项

需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象

5. 结构图&角色

• Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
• ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
• Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便

6. 实现

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 原形接口类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 13:41

 */

public interface Prototype {

    void setAttr(String attr);



    String getAttr();



    Prototype clone();

}

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 原形类的实现类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 13:43

 */

public class ConcretePrototype implements Prototype {



    private String attr;



    @Override

    public String getAttr() {

        return attr;

    }



    @Override

    public void setAttr(String attr) {

        this.attr = attr;

    }



    @Override

    public Prototype clone() {

        Prototype prototype = new ConcretePrototype();

        prototype.setAttr(this.attr);

        return prototype;

    }

}

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 客户端类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 13:48

 */

public class Client {



    public static void main(String[] args) {

        Prototype prototype = new ConcretePrototype();

        prototype.setAttr("Prototype");

        Prototype prototypeClone = prototype.clone();

        System.out.println(prototype == prototypeClone);



    }

}

这种方法可作为原型模式的通用实现，它与编程语言特性无关，任何面向对象语言都可以使用这种形式来实现对原型的克隆

6.1 Java实现

Object类提供一个clone()方法，可以将一个Java对象复制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的克隆，Java语言中的原型模式实现很简单

需要注意的是能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法，Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 原形类的实现类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 13:43

 */

public class ConcretePrototype implements Prototype,Cloneable {



    private String attr;



    @Override

    public String getAttr() {

        return attr;

    }



    @Override

    public void setAttr(String attr) {

        this.attr = attr;

    }



    @Override

    public Prototype clone() {

        Prototype prototype = null;

        try {

             prototype = (Prototype) super.clone();

        } catch (CloneNotSupportedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

        return prototype;

    }

}

6.2 Java语言中的clone方法满足以下条件

(1) 对任何对象x，都有x.clone() != x，即克隆对象与原型对象不是同一个对象；

(2) 对任何对象x，都有x.clone().getClass() == x.getClass()，即克隆对象与原型对象的类型一样；

(3) 如果对象x的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。

6.3 使用clone方法的步骤

(1) 在派生类中覆盖基类的clone()方法，并声明为public；

(2) 在派生类的clone()方法中，调用super.clone()；

(3)派生类需实现Cloneable接口

7. 浅克隆和深克隆

浅克隆(ShallowClone)和深克隆(DeepClone)。在Java语言中，数据类型分为值类型（基本数据类型）和引用类型，值类型包括int、double、byte、boolean、char等简单数据类型，引用类型包括类、接口、数组等复杂类型。

浅克隆和深克隆的主要区别在于是否支持引用类型的成员变量的复制，下面将对两者进行详细介绍

7.1 浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。

简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有复制

在Java语言中，通过覆盖Object类的clone()方法可以实现浅克隆

7.1.1 浅克隆实战

有一个报表类Statement和附件类Attachment,它们的关系如结构图:

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 附件类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 14:39

 */

public class Attachment {

    private String name;

    private String content;





    public String getName() {

        return name;

    }



    public void setName(String name) {

        this.name = name;

    }

}

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 报表类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 14:38

 */

public class Statement implements Cloneable {

    private String name;

    private Date date;

    private Attachment attachment;



    public String getName() {

        return name;

    }



    public void setName(String name) {

        this.name = name;

    }



    public Date getDate() {

        return date;

    }



    public void setDate(Date date) {

        this.date = date;

    }



    public Attachment getAttachment() {

        return attachment;

    }



    public void setAttachment(Attachment attachment) {

        this.attachment = attachment;

    }



    @Override

    public Statement clone(){

        Statement clone = null;

        try {

            clone = (Statement) super.clone();

        } catch (CloneNotSupportedException e) {

            e.printStackTrace();

        }



        return clone;

    }

}

==方法比较克隆后的两个附件

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 客户端

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 14:58

 */

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Statement statement = new Statement();

        statement.setAttachment(new Attachment());

        Statement statementClone = statement.clone();

        System.out.println(statement == statementClone);

        System.out.println(statement.getAttachment() == statementClone.getAttachment());

    }

}

输出:

报表是否相同? false

附件是否相同? true

由于使用的是浅克隆技术，因此报表对象复制成功，通过“==”比较原型对象和克隆对象的内存地址时输出false；但是比较附件对象的内存地址时输出true，说明它们在内存中是同一个对象

7.2 深克隆

在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。

简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制

在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。

序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。

通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆.

需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。

7.2.1 深克隆实战

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 报表类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 14:38

 */

public class Statement implements Serializable {

    private String name;

    private Date date;

    private Attachment attachment;



    public String getName() {

        return name;

    }



    public void setName(String name) {

        this.name = name;

    }



    public Date getDate() {

        return date;

    }



    public void setDate(Date date) {

        this.date = date;

    }



    public Attachment getAttachment() {

        return attachment;

    }



    public void setAttachment(Attachment attachment) {

        this.attachment = attachment;

    }



    /*深克隆*/

    public Statement deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {

        //将对象写入流

        ByteArrayOutputStream bao = new ByteArrayOutputStream();

        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bao);

        oos.writeObject(this);



        //将对象从流中取出

        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());

        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);



        return (Statement) ois.readObject();

    }

}

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 附件类

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 14:39

 */

public class Attachment implements Serializable {

    private String name;

    private String content;





    public String getName() {

        return name;

    }



    public void setName(String name) {

        this.name = name;

    }



    public String getContent() {

        return content;

    }



    public void setContent(String content) {

        this.content = content;

    }

}

/**

 * @author liuboren

 * @Title: 客户端

 * @Description:

 * @date 2019/7/17 14:58

 */

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {

        Statement statement = new Statement();

        statement.setAttachment(new Attachment());

        Statement statementClone = statement.deepClone();

        System.out.println("报表是否相同? "+(statement == statementClone));
![](https://img2018.cnblogs.com/blog/1316204/201907/1316204-20190722122905386-316032736.png)

        System.out.println("附件是否相同? " + (statement.getAttachment() == statementClone.getAttachment()));

    }

}

从输出结果可以看出，由于使用了深克隆技术，附件对象也得以复制，因此用“==”比较原型对象的附件和克隆对象的附件时输出结果均为false。深克隆技术实现了原型对象和克隆对象的完全独立，对任意克隆对象的修改都不会给其他对象产生影响，是一种更为理想的克隆实现方式

8. 原形管理器

原型管理器(Prototype Manager)是将多个原型对象存储在一个集合中供客户端使用，它是一个专门负责克隆对象的工厂，其中定义了一个集合用于存储原型对象，如果需要某个原型对象的一个克隆，可以通过复制集合中对应的原型对象来获得。在原型管理器中针对抽象原型类进行编程，以便扩展

9.总结

9.1 优点

(1) 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。

(2) 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。

(3) 原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。

(4) 可以使用深克隆的方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来，以便在需要的时候使用（如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。

9.2 缺点

(1) 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。

(2) 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。

9.3 适用场景

(1) 创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。

(2) 如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。

(3) 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。