设计模式-原型模式

oldman

2022-07-04

笔记

设计模式

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。

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。

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：

//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：

1
2
3

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：

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：

1
2
3

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：

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：

1
2

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。

【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。

代码实现：

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：

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