设计模式-原型模式

参考:http://c.biancheng.net/view/1343.html

什么是原型模式

​ 原型(Prototype)模式的定义: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。。

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。
  • 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。

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。

结构与实现

原型模式包含以下主要角色。

  1. 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的接口。
  2. 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。
  3. 访问类:使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

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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。

代码实现:

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

运行结果:

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具体原型创建成功!
具体原型复制成功!
obj1==obj2?false

应用实例

【例1】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。

代码实现:

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public class ProtoTypeWukong {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
SunWukong obj1 = new SunWukong("帅气的悟空");
SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();
System.out.println(obj1==obj2);
System.out.println(obj1);
System.out.println(obj2);
}
}
class SunWukong implements Cloneable {
private String description;
public SunWukong(String description) {
this.description=description;
}
@Override
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;
}

@Override
public String toString() {
return "SunWukong{" +
"description='" + description + '\'' +
'}';
}
}

运行结果:

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false
SunWukong{description='帅气的悟空'}
SunWukong{description='帅气的悟空'}

用原型模式除了可以生成相同的对象,还可以生成相似的对象。

【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。

分析:同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同,其他都相同,属于相似对象的复制,同样可以用原型模式创建,然后再做简单修改就可以了。

代码实现:

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public class ProtoTypeCitation {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Citation obj1 = new Citation("张三", "同学:在2020学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。", "xxx学院");
System.out.println(obj1);
Citation obj2 = (Citation) obj1.clone();
obj2.setName("李四");
System.out.println(obj2);
}
}

class Citation implements Cloneable {
private String name;
private String info;
private String college;
public Citation(String name, String info, String college) {
this.name = name;
this.info = info;
this.college = college;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return (this.name);
}

@Override
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}

@Override
public String toString() {
return "citation{" +
"name='" + name + '\'' +
", info='" + info + '\'' +
", college='" + college + '\'' +
'}';
}
}

运行结果:

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citation{name='张三', info='同学:在2020学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。', college='xxx学院'}
citation{name='李四', info='同学:在2020学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。', college='xxx学院'}

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。

在 Spring 中,原型模式应用的非常广泛,例如 scope=’prototype’、JSON.parseObject() 等都是原型模式的具体应用。

扩展

​ 原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式,它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型,Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。

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【例3】用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型,并计算其面积。分析:本实例中由于存在不同的图形类,例如,“圆”和“正方形”,它们计算面积的方法不一样,所以需要用一个原型管理器来管理它们。

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代码实现:

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public class ProtoTypeShape {
public static void main(String[] args) {
ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
obj1.countArea();
Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
obj2.countArea();
}
}
interface Shape extends Cloneable {
Object clone(); //拷贝
void countArea(); //计算面积
}

class Circle implements Shape {
@Override
public Object clone() {
try {
return super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public void countArea() {
int r = 0;
System.out.print("这是一个圆,请输入圆的半径:");
Scanner input = new Scanner(System.in);
r = input.nextInt();
System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");
}
}

class Square implements Shape {
@Override
public Object clone() {
try {
return super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public void countArea() {
int a = 0;
System.out.print("这是一个正方形,请输入它的边长:");
Scanner input = new Scanner(System.in);
a = input.nextInt();
System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");
}
}

class ProtoTypeManager {
private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();

public ProtoTypeManager() {
ht.put("Circle", new Circle());
ht.put("Square", new Square());
}
public void addshape(String key, Shape obj) {
ht.put(key, obj);
}
public Object getShape(String key) {
Shape temp = ht.get(key);
return temp.clone();
}
}

运行结果:

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这是一个圆,请输入圆的半径:2
该圆的面积=12.566

这是一个正方形,请输入它的边长:5
该正方形的面积=25