设计模式——原型模式

健程之道

发布于 2019-11-02 14:01:26

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设计模式中，单例模式应该是大家最为熟悉的了，那如果我们需要对一个对象进行多次复制的话，大家会用什么呢？这就要用到今天要讲的原型模式了。

简介

其定义为：

使用原型实例指定将要创建的对象类型，通过复制这个实例创建新的对象。

具体来说就是，通过给出一个原型对象来指明所创建的对象的类型，然后使用自身实现的克隆接口来复制这个原型对象，该模式就是用这种方式来创建出更多同类型的对象。

这样的好处是：

Object 类的 clone() 方法是一个本地方法，它可以直接操作内存中的二进制流，所以性能相对 new 实例化来说，更加优秀。

一个对象通过 new 实例化创建过程为：

在内存中开辟一块空间。
在开辟的内存空间中创建对象。
调用对象的构造函数进行初始化对象。

而一个对象通过 clone() 创建过程为：

根据原对象内存大小开辟一块内存空间。
复制已有对象，克隆对象中所有属性值。

相对 new 来说，clone() 少了调用构造函数。如果构造函数中存在大量属性初始化或大对象，则使用 clone() 的复制对象的方式性能会好一些。

简单例子

让我们通过一个例子来具体了解一下：

/**
 * 实现Cloneable 接口的原型抽象类Prototype
 */
public class Prototype implements Cloneable {
    /**
     * 重写 clone() 方法
     */
    @Override
    public Prototype clone() {
        Prototype prototype = null;
        try {
            prototype = (Prototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return prototype;
    }
}

/**
 * 实现原型类
 */
public class ConcretePrototype extends Prototype {
    public void show() {
        System.out.println("原型模式实现类");
    }
}

/**
 * 测试类
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        ConcretePrototype cp = new ConcretePrototype();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            ConcretePrototype cloneCp = (ConcretePrototype) cp.clone();
            cloneCp.show();
        }
    }
}

当我们实现原型抽象类时，需要注意三点：

实现 Cloneable 接口：Cloneable 接口与序列化接口的作用类似，它只是告诉虚拟机可以安全地在实现了这个接口的类上使用 clone() 方法。在 JVM 中，只有实现了 Cloneable 接口的类才可以被拷贝，否则会抛出 CloneNotSupportedException 异常。
重写 Object 类中的 clone() 方法：在 Java 中，所有类的父类都是 Object 类，而 Object 类中有一个 clone() 方法，作用是返回对象的一个拷贝。
在重写的 clone() 方法中调用 super.clone()：默认情况下，类不具备复制对象的能力，需要调用 super.clone() 来实现。

深拷贝与浅拷贝

谈到了拷贝，就不得不说到一个经典的问题：深拷贝与浅拷贝，有的地方也叫深克隆与浅克隆。

在上面的原型模式中，在调用 super.clone() 方法之后，首先会检查当前对象所属的类是否支持 clone，也就是看该类是否实现了 Cloneable 接口。

如果支持，则创建当前对象所属类的一个新对象，并对该对象进行初始化，使得新对象的成员变量的值与当前对象的成员变量的值一模一样，但对于其它对象的引用以及 List 等类型的成员属性，则只能复制这些对象的引用了。所以简单调用 super.clone() 这种克隆对象方式，就是一种浅拷贝。

为了让大家更加清楚浅拷贝的弊端，举个具体的例子：

Student 类中有一个 Teacher 对象，我们让这两个类都实现 Cloneable 接口：

@Getter
@Setter
public class Student implements Cloneable{

    /**
     * 学生姓名
     */
    private String name;

    /**
     * 学生所属的老师
     */
    private Teacher teacher;

    /**
     * 重写克隆方法，对学生进行克隆
     */
    public Student clone() {
        Student student = null;
        try {
            student = (Student) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return student;
    }
}

@Getter
@Setter
public class Teacher implements Cloneable{

    /**
     * 老师姓名
     */
    private String name;

    /**
     * 重写克隆方法，对老师类进行克隆
     */
    public Teacher clone() {
        Teacher teacher= null;
        try {
            teacher= (Teacher) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return teacher;
    }
}

测试的时候，我们先定义一个学生和一个老师，并让其关联在一起。然后复制之前的学生，生成一个新的学生，修改新学生的老师。

public class Test {
    public static void main(String args[]) {
        // 定义老师1
        Teacher teacher = new Teacher();
        teacher.setName("刘老师");
        // 定义学生1
        Student stu1 = new Student();
        stu1.setName("test1");
        // 老师1和学生1进行关联
        stu1.setTeacher(teacher);

        // 复制学生1，生成学生2
        Student stu2 = stu1.clone();
        stu2.setName("test2");
        // 修改学生2的老师
        stu2.getTeacher().setName("王老师");

        // 查看修改结果
        System.out.println("学生" + stu1.getName() + "的老师是:" + stu1.getTeacher().getName());
        System.out.println("学生" + stu1.getName() + "的老师是:" + stu2.getTeacher().getName());
    }
}

我们想要的结果是：

学生test1的老师是：刘老师
学生test2的老师是：王老师

但实际结果是：

学生test1的老师是：王老师
学生test2的老师是：王老师

观察以上运行结果，我们可以发现：在我们给学生2修改老师的时候，学生1的老师也跟着被修改了。这就是浅拷贝带来的问题。

我们可以通过深拷贝的方式解决这类问题，修改 Student 类的 clone() 方法：

    /**
     * 重写克隆方法，对学生和老师都进行克隆
     */
    public Student clone() {
        Student student = null;
        try {
            student = (Student) super.clone();
            // 克隆 teacher 对象
            Teacher teacher = this.teacher.clone();
            student.setTeacher(teacher);
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return student;
    }