原型模式的实现

2024-07-07 07:06:30

1. 引言

1.1 背景

在实际编程中，有时需要频繁创建多个相似但稍有不同的对象。如果采用传统的对象创建方式，容易造成代码冗余，对象重复初始化操作也可能带来大量的的资源消耗（如时间、内存等）。这样不仅降低了灵活性，导致难以适应状态的变化，还降低了代码的可扩展性。

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型对象
        A a = getA();
        
        B b = new B();
        b.setParam(a.getParam());        
         // ...
        System.out.println("B: " + b);

        C c = new C();
        c.setPartam(b.getPartam());
        // ...
        System.out.println("C: " + c);
    }
}

在面向对象编程的世界里，为了帮助开发者写出更高质量、更易于维护代码的一套解决方案。针对此类问题的，提供了原型模式。原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它通过复制现有实例来创建新对象，避免了重复的初始化操作。适用于对象的创建过程昂贵、复杂或者外部变化频繁的情况。在需要快速创建复杂对象副本的业务中，可以通过原型模式避免每次都重新初始化所带来的开销。

1.2 目的

本文将详细介绍原型模式的基本概念、实现步骤。通过本篇文章，你将能够理解原型模式的工作原理，并学会如何在实际项目中有效地利用它。

2. 何为原型模式？

一句话概括，就是使用原型实例指定创建对象的种类，并通过复制这些原型创建新的对象。

2.1 原型模式的目的

原型模式的核心目的是通过复制现有的对象来创建新对象，从而避免昂贵的对象创建过程。这在某些场景下尤为有用，例如：

创建成本高：对象的创建成本（如时间、资源）非常高。
复杂对象：对象有很多复杂的结构，初始化过程复杂且耗时。
需要创建多个相似对象：频繁需要创建多个相似但稍有不同的对象。

2.2 原型模式适合的场景

对象重复创建：在需要频繁创建类似对象并减少初始化开销的场景下。
对象初始化复杂：对象的创建过程涉及大量计算或资源分配，通过克隆可以避免这些开销。
不同配置的对象：需要创建多个配置类似但具体值不同的对象时，通过克隆基准对象进行调整。

2.3 为什么不直接使用Clone方法复制类？

直接在需要复制的类中调用 clone 方法当然是简单的实现方式，但也有一些局限性：

破坏封装：直接调用 clone 方法可能会破坏类的封装，导致类内部的实现细节暴露。

不支持多态性：使用接口或抽象类，有助于处理多个不同类型的对象。用户可以通过接口调用 clone 方法，从而实现多态性，而直接调用 clone 方法无法做到这一点。

可能需要深拷贝：有些对象需要深拷贝（对引用类型的成员进行拷贝），直接的 clone 方法可能无法满足这一需求。通过接口或抽象类可以更灵活地实现深拷贝逻辑。

2.4 浅拷贝和深拷贝&原型模式的关联

在讨论原型模式时，深拷贝和浅拷贝是两个非常重要的概念。它们与原型模式密切相关，因为原型模式涉及到对象的复制，而对象的复制又可以分为浅拷贝和深拷贝两种方式。

何为浅拷贝？
浅拷贝（Shallow Copy）在对象复制过程中，只复制对象的基本数据类型字段，对于引用类型字段，只复制引用，不复制引用对象本身。这意味着浅拷贝后的新对象与原对象共享相同的引用对象。在 Java 中，可以使用 Object 类的 clone 方法来实现浅拷贝。默认的 clone 方法进行的是浅拷贝：

public class ShallowCopyExample implements Cloneable {
    private int value;
    private int[] array;

    public ShallowCopyExample(int value, int[] array) {
        this.value = value;
        this.array = array;
    }

    @Override
    protected ShallowCopyExample clone() {
        try {
            return (ShallowCopyExample) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    // Getters and setters...

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3};
        ShallowCopyExample original = new ShallowCopyExample(42, array);
        ShallowCopyExample cloned = original.clone();

        System.out.println("初始的数组: " + original.getArray()[0]); // 1
        System.out.println("克隆对象的数组: " + cloned.getArray()[0]); // 1

        // 修改克隆对象的数组
        cloned.getArray()[0] = 99;

        System.out.println("初始的数组: " + original.getArray()[0]); // 99
        System.out.println("克隆对象的数组: " + cloned.getArray()[0]); // 99
    }
}

如上所示，修改克隆对象的数组会影响原始对象的数组，这是因为它们共享相同的引用。

何为深拷贝？
深拷贝（Deep Copy）在对象复制过程中，除了复制对象的基本数据类型字段，还递归复制引用类型字段所引用的对象。这意

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