四、原型模式——别自己造了，复制吧

设计模式是面向问题、场景而总结产生的设计思路。是解决问题的套路。23 种经典的设计模式。它们又可以分为三大类：创建型、结构型、行为型。

创建型 包含了 单例模式、工厂模式、建造者模式、原型模式。

原型模式

1. 为什么使用原型模式

原型模式也称为克隆模式。

当我们把一个对象赋值给一个新的变量时，赋的其实是该对象的在栈中的地址，而不是堆中的数据。由于简单赋值对象，其实只是复制了对象的引用，还是指向同一个对象，当需要对对象进行操作时会互相影响。当需要在创建大量相同的对象时，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。使用原型模式创建对象性能上要好的多，因为Object类的clone方法是一个本地方法，它直接操作内存中的二进制流，特别是复制大对象时，性能的差别非常明显。值得注意的是，使用clone方法创建的新对象的构造函数是不会被执行的，也就是说会绕过任何构造函数（有参和无参），因为clone方法的原理是从堆内存中以二进制流的方式进行拷贝，直接分配一块新内存。

2. 原型模式适用的场景

• 需要复制的对象状态相同或相似。系统中大量使用该类对象，且各个调用者都需要定义对象状态。
• 创建对象成本很耗资源，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。
• 创建对象成本很繁琐，创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等。

3. Clone 方法 和 Cloneable 接口

实现原型模式需要使用clone方法，并实现Cloneable 接口。

3.1 重写 clone 方法

Java中，所有类的父类都是Object类，Object类中有一个clone方法，作用是返回对象的一个拷贝，但是其作用域protected类型的，一般的类无法调用，因此，子类在继承重写时需要将clone方法的作用域修改为public类型，以便于外部调用。虽然子类对父类方法的权限做了提升，违法了lsp原则，但是相应的也提高了系统的灵活性。

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

3.2 实现 Cloneable 接口

在java语言有一个Cloneable接口。在java虚拟机中，只有实现了这个接口的类才可以被拷贝，否则在运行时会抛出CloneNotSupportedException异常。通过实现该接口，在运行时安全地在调用clone方法。

public interface Cloneable {
}

4 浅拷贝和深拷贝

4.1 浅拷贝

浅拷贝：基本属性被克隆，但对于引用属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
当数组arr的克隆被去掉后，arr会被共享使用。

    public ComplexObject clone() throws CloneNotSupportedException {
        ComplexObject prototype = (ComplexObject)super.clone();
        //prototype.arr = this.arr.clone();
        return prototype;
    }

通过客户端调用，修改基本属性和引用对象。发现基本属性是被克隆，但是引用属性仍然是共享的。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        ComplexObject o = new ComplexObject(2,"Newton",new int[]{1,2,3,4});
        ComplexObject o1 = o.clone();
        o1.getArr()[2]=5;
        o1.setName("牛顿");
        System.out.println(o);
        System.out.println(o1);
    }
}

运行显示。一旦修改arr，两个对象的o都会被修改。

ComplexObject{id=2, name='Newton', arr=[1, 2, 5, 4]}
ComplexObject{id=2, name='牛顿', arr=[1, 2, 5, 4]}

4.2 深拷贝

深拷贝：属性中引用类型的属性也会被克隆。

    public ComplexObject clone() throws CloneNotSupportedException {
        ComplexObject prototype = (ComplexObject)super.clone();
        prototype.arr = this.arr.clone();
        return prototype;
    }

通过深克隆后，arr属性没有共享，独立拥有arr数组对象。

运行结果：

ComplexObject{id=2, name='Newton', arr=[1, 2, 3, 4]}
ComplexObject{id=2, name='牛顿', arr=[1, 2, 5, 4]}

总结

原型模式非常适合于你想要向客户隐藏实例创建的创建过程、或者需要快速复制对象的场景。
  
设计模式系列在github上有一个开源项目，主要是本系列博客的demo代码。https://github.com/forestnlp/designpattern
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