手撕设计模式——克隆对象之原型模式

2024-06-08 10:09:22

1.业务需求

大家好，我是菠菜啊，前俩天有点忙，今天继续更新了。今天给大家介绍克隆对象——原型模式。老规矩，在介绍这期之前，我们先来看看这样的需求：《西游记》中每次孙悟空拔出一撮猴毛吹一下，变出一大批猴子加入战斗，他到底是怎么变的？如果我们帮他实现这个功能，代码怎么设计？

2.代码实现

首先先说第一个问题，怎么变的我也不知道。

但是第二个问题，可以尝试一下。

实现初步思路：

我们新建一个猴子类，并且实例化多个猴子对象不就行了，太简单了。

Monkey类：

//猴子
public class Monkey {

    private String name;
    private String sex;
    private int age;
    private Weapon weapon;

    public Monkey(String name, String sex, int age, Weapon weapon) {
        this.name = name;
        this.sex = sex;
        this.age = age;
        this.weapon = weapon;
    }

    public Weapon getWeapon() {
        return weapon;
    }

    public void setWeapon(Weapon weapon) {
        this.weapon = weapon;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Monkey{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", sex='" + sex + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", weapon=" + weapon +
                '}';
    }
}

Weapon类：

//武器
public class Weapon {

    private String name;
    private String color;

    public Weapon(String name, String color) {
        this.name = name;
        this.color = color;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Weapon{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", color='" + color + '\'' +
                '}';
    }
}

Client类：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Weapon weapon=new Weapon("金箍棒","金色");
        Monkey monkey=new Monkey("孙悟空","公",20,weapon);

        Weapon weapon2=new Weapon(monkey.getWeapon().getName(),monkey.getWeapon().getColor());
        Monkey monkey2=new Monkey("猴小弟",monkey.getSex(),monkey.getAge(),weapon2);

        Weapon weapon3=new Weapon(monkey.getWeapon().getName(),monkey.getWeapon().getColor());
        Monkey monkey3=new Monkey("猴小小弟",monkey.getSex(),monkey.getAge(),weapon3);


        System.out.println(monkey);
        System.out.println(monkey2);
        System.out.println(monkey3);

    }
}

思考：上述代码比较简单，功能是实现了，但是在克隆猴哥的时候，我们要将新建一个相同类的对象。然后，我还要必须遍历原始对象的所有成员变量，并将成员变量值复制到新对象中。这也太麻烦了，如果属性是上千上万个，那么猴哥还没变出猴子，师傅就被妖怪给吃了。而且并非所有对象都能通过这种方式进行复制，因为有些对象可能拥有私有成员变量，它们在对象本身以外是不可见的。而且克隆对象，要知道该对象类的所有依赖类才行，这样设计也太不符合迪米特法则了（详细见***《设计模式——设计原则介绍》***一文）。

3.方案改进

Java中提供了一个Cloneable接口，其中有一个clone()方法，我们只要实现这个方法就行了。

实现代码结构图：

Monkey接口：

//猴子
public class Monkey implements Cloneable{

   //......
    
    @Override
    protected Monkey clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Monkey)super.clone();
    }

   

}

Client类：

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Weapon weapon=new Weapon("金箍棒","金色");
        Monkey monkey=new Monkey("孙悟空","公",20,weapon);

       /* Weapon weapon2=new Weapon(monkey.getWeapon().getName(),monkey.getWeapon().getColor());
        Monkey monkey2=new Monkey("猴小弟",monkey.getSex(),monkey.getAge(),weapon2);

        Weapon weapon3=new Weapon(monkey.getWeapon().getName(),monkey.getWeapon().getColor());
        Monkey monkey3=new Monkey("猴小小弟",monkey.getSex(),monkey.getAge(),weapon3);*/
        Monkey monkey2=monkey.clone();
        monkey2.setName("猴小弟");
        Monkey monkey3=monkey.clone();
        monkey3.setName("猴小小弟");
        
        System.out.println(monkey);
        System.out.println(monkey2);
        System.out.println(monkey3);

    }
}

思考：这样我们就可以快速克隆对象，并且不需要知道对象创建的细节，又大大提高了性能，我们把这种设计模式叫做原型模式（Prototype ）。上述代码还是有问题，可以继续往下看。

拓展：浅克隆和深克隆

我们把上述代码稍微修改一下，看的就明显了。

Client修改后：

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Weapon weapon=new Weapon("金箍棒","金色");
        Monkey monkey=new Monkey("孙悟空","公",20,weapon);

   
        Monkey monkey2=monkey.clone();
        monkey2.setName("猴小弟");
        Monkey monkey3=monkey.clone();
        monkey3.setName("猴小小弟");

        System.out.println("修改武器前："+monkey);
        System.out.println("修改武器前："+monkey2);
        System.out.println("修改武器前："+monkey3);
        //修改各自的武器装备
        monkey.getWeapon().setColor("红色");
        monkey2.getWeapon().setColor("白色");
        monkey3.getWeapon().setColor("绿色");

        System.out.println("++++++修改武器+++++");


        System.out.println("修改武器后："+monkey);
        System.out.println("修改武器后："+monkey2);
        System.out.println("修改武器后："+monkey3);

    }
}

**预期结果：**猴子们的武器颜色分别是红白绿。

实际结果：猴子们的武器都被绿了（一不小心开车了）。

排查原因发现，super.clone(),如果字段是值类型的，就复制值，如果字段是引用类型的，复制引用而不复制引用的对象（String是特殊的引用对象），因此猴子们引用的武器对象是一个。被复制的对象的所有变量值都含有原来对象相同的值，但是其它对象的引用仍然执行原来的对象，叫做浅克隆**。反之，把引用对象的变量指向复制过的新对象，这种叫做深克隆。

我们如果要完成深复制，只需做如下修改：

Weapon类：

//武器
public class Weapon implements Cloneable{

    //...
   
    @Override
    protected Weapon clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Weapon)super.clone();
    }

 
}

Monkey类：

public class Monkey implements Cloneable{
 
    //...
    @Override
    protected Monkey clone() throws CloneNotSupportedException {
        Monkey clone= (Monkey)super.clone();
        clone.weapon=this.weapon.clone();
        return clone;
    }

}

**思考：**如果要深克隆，必须重写clone方法，如果克隆对象依赖对象的层级嵌套一多，代码较复杂。

4.定义和组成结构

原型模式（Prototype）：从一个对象创建一个可定制的对象，而不需要知道任何创建细节。

原型模式包含以下主要角色。

抽象原型类（Prototype）：规定了具体原型对象必须实现的接口。
具体原型类（ConcretePrototype）：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
访问类（Acess）：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

5.优缺点以及应用场景

优点：

通过克隆一个已有的对象，简化对象的创建过程，不用关注对象的内部创建细节，符合迪米特法则
流的方式比new一个对象克隆对象效率更高

缺点:

克隆对象类必须要重写clone方法
如果克隆对象依赖对象的嵌套层级较多，并且要达到深克隆，代码较复杂
clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，可能需要修改代码，违背了开闭原则

适用场景：

保存对象的状态并且对象占用内存较少
对象创建成本高,耗用的资源比较多
对象初始化复杂

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【作者：我爱吃菠菜】

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