设计模式教程：原型模式

伯灵

发布于 2026-01-21 09:04:05

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1. 原型模式的详细介绍

原型模式的核心思想是通过复制现有对象来创建新的对象，而不是重新创建一个完全新对象。这种方式的优势在于避免了创建新对象的开销，并且可以让我们根据现有对象来快速生成相似的对象。

1.1. 何时使用原型模式

创建对象开销很大：当创建一个对象的过程比较复杂或资源密集时（例如，生成一个包含大量数据的对象，或者需要进行一些耗时的计算时），使用原型模式可以避免重复创建相同类型的对象。
复杂对象的构建：当对象的创建涉及多个步骤，或者需要初始化时，使用原型模式可以让你避免重新执行这些构建步骤。
对象集合中存在变异：例如，我们有一个很大的对象集合，其中的每个对象的内容差异不大。原型模式可以帮助我们从一个模板对象克隆出多个类似对象。

1.2. 实现方式

在实际应用中，我们通过以下方式来实现原型模式：

原型接口：定义一个clone方法，所有的具体原型类都需要实现这个方法。
具体原型类：实现原型接口，重写clone方法，创建并返回一个新对象。
客户端：客户端通过原型接口来获取新对象，而不需要知道具体是如何实现克隆的。

1.3. 克隆的种类

克隆的方式通常有两种：浅拷贝和深拷贝。这两种方式的区别在于如何处理对象中的引用类型成员变量。

浅拷贝（Shallow Copy）：仅仅复制对象本身，对于引用类型的成员变量，只复制引用地址，指向原始对象的引用。
深拷贝（Deep Copy）：不仅复制对象本身，还递归复制对象中引用类型的成员变量，即每个引用类型的对象都会被复制一份，避免多个对象共享同一个引用。

2. 代码示例（Java）

2.1. 浅拷贝示例

假设我们有一个Person类，它有一个引用类型的成员变量address。

class Address {
    String street;
    
    Address(String street) {
        this.street = street;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Address{" + "street='" + street + "'}";
    }
}

class Person implements Cloneable {
    String name;
    Address address;
    
    Person(String name, Address address) {
        this.name = name;
        this.address = address;
    }

    @Override
    public Person clone() {
        try {
            // 浅拷贝：直接调用super.clone()，复制原对象的基本属性
            Person cloned = (Person) super.clone();
            return cloned;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "', address=" + address + "}";
    }
}

public class ShallowCopyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Address address1 = new Address("123 Main St");
        Person person1 = new Person("John", address1);
        
        // 克隆对象
        Person person2 = person1.clone();
        
        System.out.println("Before modifying address:");
        System.out.println("person1: " + person1);
        System.out.println("person2: " + person2);
        
        // 修改原始对象的地址
        person1.address.street = "456 Oak St";
        
        System.out.println("After modifying address:");
        System.out.println("person1: " + person1);
        System.out.println("person2: " + person2);  // person2的address也会被修改
    }
}

输出：

Before modifying address:
person1: Person{name='John', address=Address{street='123 Main St'}}
person2: Person{name='John', address=Address{street='123 Main St'}}
After modifying address:
person1: Person{name='John', address=Address{street='456 Oak St'}}
person2: Person{name='John', address=Address{street='456 Oak St'}}

在上面的代码中，person1和person2共享了同一个address对象，因此修改person1的address也会影响到person2。

2.2. 深拷贝示例

在深拷贝中，我们会手动克隆引用类型的成员变量，确保每个对象都有自己独立的address对象。

class Person implements Cloneable {
    String name;
    Address address;
    
    Person(String name, Address address) {
        this.name = name;
        this.address = address;
    }

    @Override
    public Person clone() {
        try {
            // 深拷贝：先克隆基本类型属性，再手动克隆引用类型
            Person cloned = (Person) super.clone();
            cloned.address = new Address(this.address.street); // 深拷贝Address对象
            return cloned;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "', address=" + address + "}";
    }
}

public class DeepCopyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Address address1 = new Address("123 Main St");
        Person person1 = new Person("John", address1);
        
        // 克隆对象
        Person person2 = person1.clone();
        
        System.out.println("Before modifying address:");
        System.out.println("person1: " + person1);
        System.out.println("person2: " + person2);
        
        // 修改原始对象的地址
        person1.address.street = "456 Oak St";
        
        System.out.println("After modifying address:");
        System.out.println("person1: " + person1);
        System.out.println("person2: " + person2);  // person2的address不受影响
    }
}

输出：

Before modifying address:
person1: Person{name='John', address=Address{street='123 Main St'}}
person2: Person{name='John', address=Address{street='123 Main St'}}
After modifying address:
person1: Person{name='John', address=Address{street='456 Oak St'}}
person2: Person{name='John', address=Address{street='123 Main St'}}

在深拷贝中，修改person1的address不会影响person2，因为它们的address字段已经是独立的对象。