今天520情人节，你确定不学一下「情话设计模式」？-技术圈

前言

原型模式简介
原型模式的应用场景
原型模式的结构与实现
原型模式的优缺点
原型模式的应用实例
思维导图
原型模式在JDK源码中的应用

原型模式简介

用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。

原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景。

对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
创建对象成本较大，例如初始化时间长，占用CPU太多，或者占用网络资源太多等，需要优化资源。
创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等，需要提高性能或者提高安全性。
系统中大量使用该类对象，且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。

原型模式的结构与实现

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。

1.模式的结构

原型模式包含以下主要角色。

抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
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。

其结构图如下图所示。

原型模式主要用于对象的复制，它的核心是就是类图中的原型类Prototype。Prototype类需要具备以下两个条件：

实现Cloneable接口。在java语言有一个Cloneable接口，它的作用只有一个，就是在运行时通知虚拟机可以安全地在实现了此接口的类上使用clone方法。在java虚拟机中，只有实现了这个接口的类才可以被拷贝，否则在运行时会抛出CloneNotSupportedException异常。
重写Object类中的clone方法。Java中，所有类的父类都是Object类，Object类中有一个clone方法，作用是返回对象的一个拷贝，但是其作用域protected类型的，一般的类无法调用，因此，Prototype类需要将clone方法的作用域修改为public类型。

原型模式是一种比较简单的模式，也非常容易理解，实现一个接口，重写一个方法即完成了原型模式。在实际应用中，原型模式很少单独出现。经常与其他模式混用，他的原型类Prototype也常用抽象类来替代。

2.模式的实现

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 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下：

//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
    Realizetype() {
        System.out.println("具体原型创建成功！");
    }

    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功！");
        return (Realizetype) super.clone();
    }
}

//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Realizetype obj1 = new Realizetype();
        Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
        System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
    }
}

程序的运行结果如下：

具体原型创建成功！具体原型复制成功！obj1==obj2?false

原型模式的优缺点

原型模式的优点：

Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。因为Object类的clone方法是一个本地方法，它直接操作内存中的二进制流，特别是复制大对象时，性能的差别非常明显。
简化对象的创建，使得创建对象就像我们在编辑文档时的复制粘贴一样简单。可以使用深克隆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，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。

因为以上优点，所以在需要重复地创建相似对象时可以考虑使用原型模式。比如在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效，就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。又比如需要在一个循环体内创建对象，假如对象创建过程比较复杂或者循环次数很多的话，使用原型模式不但可以简化创建过程，而且可以使系统的整体性能提高很多。

原型模式的缺点：

需要为每一个类都配置一个 clone 方法
clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。
当实现深克隆时，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，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。

原型模式的应用实例

【例】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。分析：孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空，这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类SunWukong 是具体原型类，而 Java 中的Cloneable 接口是抽象原型类。由于要显示孙悟空的图像，所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类，里面包含了标签，用于保存孙悟空的图像。另外，重写了 Cloneable 接口的clone() 方法，用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空，并在框架窗体 JFrame 中显示。图下图所示是其结构图。

图孙悟空生成器的结构图

程序代码如下：

import java.awt.*;
import javax.swing.*;

class SunWukong extends JPanel implements Cloneable {
    private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;

    public SunWukong() {
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));
        this.add(l1);
    }

    public Object clone() {
        SunWukong w = null;
        try {
            w = (SunWukong) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("拷贝悟空失败!");
        }
        return w;
    }
}

public class ProtoTypeWukong {
    public static void main(String[] args) {
        JFrame jf = new JFrame("原型模式测试");
        jf.setLayout(new GridLayout(1, 2));
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        SunWukong obj1 = new SunWukong();
        contentPane.add(obj1);
        SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();
        contentPane.add(obj2);
        jf.pack();
        jf.setVisible(true);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    }
}

程序的运行结果如下图所示。

思维导图

原型模式在JDK源码中的应用

首先查看 JDK 中的 Cloneable 接口。

public interface Cloneable {

}

我们只需要在源码中看哪些类实现了 Cloneable 接口即可。下面是 ArrayList 类的实现代码。

public Object clone() {
    try {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
        v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
        v.modCount = 0;
        return v;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        // this shouldn't happen, since we are Cloneable
        throw new InternalError();
    }
}

从以上代码可以看出，clone() 方法只是将 List 中的元素循环遍历了一遍。此时，再思考一下，是不是这种形式就是深克隆呢？

下面用代码验证一下，继续修改 ConcretePrototype 类，增加一个 deepCloneHobbies() 方法，代码如下：

public class ConcretePrototype implements Cloneable,Serializable {
   
    public ConcretePrototype deepCloneHobbies(){
        try {
            ConcretePrototype result = (ConcretePrototype) super.clone();
            result.hobbies = (List) ((ArrayList) result.hobbies).clone();
            return result;
        }catch (CloneNotSupportedException){
            return null;
        }
    }
...
}

客户端代码修改如下：

public static void main(String[] args) {
    ...
    //复制原型对象
    ConcretePrototype cloneType = prototype.deepCloneHobbies();
    ...
}

运行结果如下：

原型对象：ConcretePrototype{age=18,name='C语言中文网',hobbies=[书法, 美术]}克隆对象：ConcretePrototype{age=18,name='C语言中文网',hobbies=[书法, 美术, 技术控]}

可以发现以上结果与《使用序列化实现深克隆》一节运行结果相同，说明以上形式是深克隆。但是这样的代码是硬编码。如果在对象中声明了各种集合类型，则每种情况都需要单独处理。因此，深克隆的写法一般会直接用序列化来操作。

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