原型模式是一种创建型设计模式，通过复制原型对象来创建新对象，减少对象创建的开销。本文详细介绍了原型模式的工作原理、优缺点，以及Java中的实现，包括浅克隆和深克隆。浅克隆创建的是属性相同的对象，而深克隆则复制引用的对象。此外，还讨论了原型模式在何时适用以及如何扩展为带原型管理器的原型模式。
| 原型模式(Prototype Pattern)：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。 原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。 原型模式是一种对象创建型模式。 |
原型模式的工作原理很简单：将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝自己来实现创建过程。由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。原型模式是一种“另类”的创建型模式，创建克隆对象的工厂就是原型类自身，工厂方法由克隆方法来实现。
需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。
原型模式的优点：
- 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。
原型模式的缺点：
- 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。
模式的结构：
- 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。
其结构图如图所示。
模式的实现：
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。其代码如下：
//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
Realizetype() {
System.out.println("具体原型创建成功！");
}
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));
}
}
/**
输出结果：
具体原型创建成功！
具体原型复制成功！
obj1==obj2?false
*/在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。例：
//工作周报类
class WeeklyLog implements Serializable {
private Attachment attachment;
private String name;
private String date;
private String content;
public void setAttachment(Attachment attachment) {
this.attachment = attachment;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void setDate(String date) {
this.date = date;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public Attachment getAttachment() {
return this.attachment;
}
public String getName() {
return this.name;
}
public String getDate() {
return this.date;
}
public String getContent() {
return this.content;
}
//使用序列化技术实现深克隆
public WeeklyLog deepClone()
throws IOException,ClassNotFoundException,OptionalDataException {
//将对象写入流中
ByteArrayOutputStream bao = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bao);
oos.writeObject(this);
//将对象从流中取出
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
return (WeeklyLog) ois.readObject();
}
}
//客户端
class Client {
public static void main(String args[]) {
WeeklyLog log_previous = null,
WeeklyLog log_new = null;
//创建原型对象
log_previous = new WeeklyLog();
//创建附件对象
Attachment attachment = new Attachment();
//将附件添加到周报中
log_previous.setAttachment(attachment);
try {
//调用深克隆方法创建克隆对象
log_new = log_previous.deepClone();
} catch(Exception e) {
System.err.println("克隆失败！");
}
//比较周报
System.out.println("周报是否相同？" + (log_previous == log_new));
//比较附件
System.out.println("附件是否相同？" +
(log_previous.getAttachment() == log_new.getAttachment()));
}
}
/**
输出结果：
周报是否相同？false
附件是否相同？false
*/
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。
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。其结构图如图
例：
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，如图
代码如下：
import java.util.*;
interface Shape extends Cloneable {
//拷贝
public Object clone();
//计算面积
public void countArea();
}
class Circle implements Shape {
public Object clone() {
Circle w = null;
try {
w = (Circle) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
System.out.println("拷贝圆失败!");
}
return w;
}
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 {
public Object clone() {
Square b = null;
try {
b = (Square) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
System.out.println("拷贝正方形失败!");
}
return b;
}
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 Shape getShape(String key) {
Shape temp = ht.get(key);
return (Shape) temp.clone();
}
}
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();
}
}
/**
输出结果：
这是一个圆，请输入圆的半径：3
该圆的面积=28.2735
这是一个正方形，请输入它的边长：3
该正方形的面积=9
*/
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