03 原型模式

2024-02-09 14:01:28

2021年5月27日

1 原型模式简介

概念性的东西理解一下即可，主要需要掌握浅拷贝、深拷贝的原理，以及代码实现。

原型设计模式（Prototype）是一种对象创建型模式，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，主要用于创建重复的对象，同时又能保证性能。

工作原理是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。

应该是最简单的设计模式了，实现一个接口，重写一个方法即完成了原型模式。

2 核心组成

Prototype：声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，Cloneable接口。
ConcretePrototype：具体原型类。
Client：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象。

3 应用场景

如果创建新对象成本较大，新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得。
如果系统要保存对象的状态，做备份使用。

4 浅拷贝代码实现

实现Cloneable接口

public class Person implements Cloneable {

    private String name;

    private int age;

    private List<String> list = new ArrayList<>();
    
    // getter、setter 方法

    public Person() {
        System.out.println("构造函数调用");
    }

    // 通过覆盖 Object 的 clone() 方法可以实现浅拷贝
    @Override
    protected Person clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Person) super.clone();
    }
}

为什么说是浅拷贝呢？看下面client使用的例子

public class Client {
    public static void main(String [] args) {
        Person person1 = new Person();
        person1.setAge(20);
        person1.setName("dawson");
        person1.getList().add("1v4");
        
        // 浅拷贝
        Person person2 =  person1.clone();
        person2.setName("rose");
        person2.getList().add("v5");
    }
}

将person1拷贝一份person2出来，person2修改了list，会导致person1的list也修改了。同时也可以发现person1和person2的list都指向同一个内存地址{ArrayList@491}。

对于浅拷贝（浅克隆）：

如果原型对象的成员变量是基本数据类型（int、double、byte、boolean、char等），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。
通过覆盖Object类的clone()方法可以实现浅克隆。‘

5 深拷贝代码实现

实现Serializable接口

public class Person implements Cloneable, Serializable {

    private String name;

    private int age;

    private List<String> list = new ArrayList<>();

    public Person() {
        System.out.println("构造函数调用");
    }

    // 浅拷贝：通过覆盖 Object 的 clone() 方法可以实现浅拷贝
    @Override
    protected Person clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Person) super.clone();
    }

    // 深拷贝：通过序列化 Serializable 方式来实现深拷贝
    public Object deepClone() {
        try {
            // 输出：序列化
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
            oos.writeObject(this);

            // 输入：反序列化
            ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
            Person copyObj = (Person) ois.readObject();

            return copyObj;
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

client使用：

public class Client {
    public static void main(String [] args) throws CloneNotSupportedException {
        Person person1 = new Person();
        person1.setAge(20);
        person1.setName("dawson");
        person1.getList().add("1v4");

        // 深拷贝
        Person person2 =  (Person) person1.deepClone();
        person2.setName("rose");
        person2.getList().add("v5");
    }
}

可以看出，person2的修改不影响person1，是真正的克隆了一份，list的内存地址也发生了改变，这就是深拷贝。

对于深拷贝（深克隆）：

无论原型对象的成员变量是基本数据类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象。
如果需要实现深克隆，可以通过序列化Serializable等方式来实现。（序列化和反序列化，会使得内存地址改变。）

6 优缺点

优点：

原型模式是内存二进制流的拷贝，比new对象性能高很多，使用的时候记得注意是选择浅拷贝还是深拷贝。
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，可以提高新实例的创建效率。
可辅助实现撤销操作，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恢复到历史状态。（备份与回滚）

缺点：

需要为每一个类配备一个克隆方法，对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。
在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，且当对象之间存在多重的嵌套引用时，需要对每一层对象对应的类都必须支持深克隆。

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