设计模式 | 原型模式_原型模式的扩展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-优快云博客

写在前面：

在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效，就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。

一，原型模式

1.1，概念

原型（Prototype）模式的定义如下：

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。

在这里，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。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

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。

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。

1.2，模式的结构与实现

结构：

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。

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。

其结构图如图所示。

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：

public class OriginType implements Cloneable {

    public String name = "def";
    public Student student = new Student();
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("clone");
        return super.clone();
    }

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

        OriginType originType = new OriginType();
        originType.name = "1";
        originType.student.name = "1";
        System.out.println(originType.name);
        System.out.println(originType.student.name);

        OriginType newOriginType = (OriginType) originType.clone();
        System.out.println(newOriginType.name);
        System.out.println(newOriginType.student.name);


    }

}

class Student {
    public String name = "def-name";
}

运行结果如下：

1
1
clone
1
1

由此可见，拷贝之后，对象内部的引用类型也被拷贝了。还是指向原来的对象。浅拷贝。

1.3，示例

考虑下面这个场景：

一个学校发的“三好学生”奖状包含姓名，学校，日期。这里面除了姓名不一样，其他的都一样。这里就可以使用原型模式实现。

代码如下：

class Cert implements Cloneable {
    private String name;
    private String college;
    private LocalDate localDate;

    public Cert(String name, String college, LocalDate localDate) {
        this.name = name;
        this.college = college;
        this.localDate = localDate;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getCollege() {
        return college;
    }

    public void setCollege(String college) {
        this.college = college;
    }

    public LocalDate getLocalDate() {
        return localDate;
    }

    public void setLocalDate(LocalDate localDate) {
        this.localDate = localDate;
    }

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

    @Override
    public String toString() {
        return "Cert{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", college='" + college + '\'' +
                ", localDate=" + localDate +
                '}';
    }
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

        Cert certForXiaoming = new Cert("小明", "清华大学",LocalDate.now());
        System.out.println(certForXiaoming);
        Cert certForXiaogang = (Cert) certForXiaoming.clone();
        certForXiaogang.setName("小刚");
        System.out.println(certForXiaogang);

    }

}

运行结果如下：

Cert{name='小明', college='清华大学', localDate=2021-01-04}
Cert{name='小刚', college='清华大学', localDate=2021-01-04}

1.4，拓展

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】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，

class Circle implements Shape{

    private int r;
    public double area = 0;

    @Override
    public Object clone() {
        try {
            System.out.println("clone Circle");
            return super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public void area() {
        area = 3.14*r*r;
    }

    @Override
    public Object getArea() {
        return area;
    }
}

class Square implements Shape{

    private int w;
    public float area = 0;

    @Override
    public Object clone() {
        try {
            System.out.println("clone Square");
            return super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public void area() {
        area = w*w;
    }
    @Override
    public Object getArea() {
        return area;
    }
}

class ProtoTypeManager {
    private ConcurrentHashMap<String, Shape> map = new ConcurrentHashMap();

    public ProtoTypeManager(){
        map.put("Circle", new Circle());
        map.put("Square", new Square());
    }
    public void addShape(String key, Shape obj) {
        map.put(key, obj);
    }

    public Shape getShape(String key) {
        Shape temp = map.get(key);
        return (Shape) temp.clone();
    }

    public static void main(String[] args) {

        ProtoTypeManager protoTypeManager = new ProtoTypeManager();
        Shape shape = protoTypeManager.getShape("Circle");
        shape.area();

        System.out.println(shape.getArea());

    }

}