原型模式（原型设计模式）详解——小马同学@Tian

原型模式（原型设计模式）详解

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。

原型模式的定义与特点

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。

原型模式的结构与实现

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。

1. 模式的结构

原型模式包含以下主要角色。

1. 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
2. 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。
3. 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 1 所示。

图1 原型模式的结构图

2. 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));   
    }
}

程序的运行结果如下：

具体原型创建成功！
具体原型复制成功！
obj1==obj2?false

原型模式的应用实例

【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。

分析：孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空，这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类，而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。

同前面介绍的猪八戒实例一样，由于要显示孙悟空的图像，所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类，里面包含了标签，用于保存孙悟空的图像。

另外，重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法，用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空，并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。

图2 孙悟空生成器的结构图

程序代码如下：

import java.awt.*;
import javax.swing.*;
class SunWukong extends JPanel implements Cloneable{   
    private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;  
    public SunWukong()    {      
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));     
        this.add(l1);    
    }   
    public Object clone()    {    
        SunWukong w=null;   
        try        {       
            w=(SunWukong)super.clone();       
        }        catch(CloneNotSupportedException e)        {       
            System.out.println("拷贝悟空失败!");      
        }        
        return w;    
    }
}

public class ProtoTypeWukong{  
    public static void main(String[] args)    {        
        JFrame jf=new JFrame("原型模式测试");   
        jf.setLayout(new GridLayout(1,2));     
        Container contentPane=jf.getContentPane();      
        SunWukong obj1=new SunWukong();     
        contentPane.add(obj1);            
        SunWukong obj2=(SunWukong)obj1.clone();      
        contentPane.add(obj2);         
        jf.pack();              
        jf.setVisible(true);     
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);      
    }
}

程序的运行结果如图 3 所示。

图3 孙悟空克隆器的运行结果

用原型模式除了可以生成相同的对象，还可以生成相似的对象，请看以下实例。

【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。

分析：同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同，其他都相同，属于相似对象的复制，同样可以用原型模式创建，然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。

图4 奖状生成器的结构图

程序代码如下：

public class ProtoTypeCitation{   
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException    {    
        citation obj1=new citation("张三","同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。","韶关学院");       
        obj1.display();     
        citation obj2=(citation) obj1.clone();      
        obj2.setName("李四");     
        obj2.display();  
    }
}
//奖状类
class citation implements Cloneable{   
    String name;    
    String info; 
    String college;  
    
    citation(String name,String info,String college)    {       
        this.name=name;        
        this.info=info;     
        this.college=college;     
        System.out.println("奖状创建成功！"); 
    } 
    
    void setName(String name)    {      
        this.name=name;   
    } 
    
    String getName()    {    
        return(this.name);   
    }  
    
    void display()    {   
        System.out.println(name+info+college);    
    }   
    
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException    {    
        System.out.println("奖状拷贝成功！");     
        return (citation)super.clone();   
    }
}

程序运行结果如下：

奖状创建成功！
张三同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院
奖状拷贝成功！
李四同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院

原型模式的应用场景

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。

原型模式的扩展

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 5 所示。

图5 带原型管理器的原型模式的结构图

【例3】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，图 6 所示是其结构图。

图6 图形生成器的结构图

程序代码如下：

import java.util.*;
interface Shape extends Cloneable{   
    public Object clone();    //拷贝 
    public void countArea();    //计算面积
}
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();         
    }
}

运行结果如下所示：

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
=new ProtoTypeManager();        
        Shape obj1=(Circle)pm.getShape("Circle");     
        obj1.countArea();               
        Shape obj2=(Shape)pm.getShape("Square");    
        obj2.countArea();         
    }
}

运行结果如下所示：

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