设计模式之原型模式

一、简介

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。

二、优缺点

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。

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。

三、应用场景

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. 对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

四、模式结构

1. 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。Java中的抽象原型类为Cloneable
• 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。

2. UML类图

五、代码实现

1. 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。

2. 注意事项：

不管是浅克隆还是深克隆，其抽象原型类都是Cloneable接口，任何一个提供克隆接口的类都要实现该接口，否则当调用clone方法是会报错。

3. 浅克隆实现

1. Food1对象：

public class Food1 {
    private String name;
    private double price;

    public Food1(String name, double price){
        this.name = name;
        this.price = price;
    }
}

2. 具体原型类：

@Data
public class PrototypeForShallowClone implements Cloneable {
    private String name;
    private String sex;
    private int age;
    private Food1 food;

    /**
     * 由于clone方法就是实现的浅克隆，因此此处直接调用即可
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

3. 测试

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Food1 food1 = new Food1("fish", 12);
    PrototypeForShallowClone prototype = new PrototypeForShallowClone();
    prototype.setName("张三");
    prototype.setSex("男");
    prototype.setAge(22);
    prototype.setFood(food1);

    PrototypeForShallowClone shallowClone = (PrototypeForShallowClone) prototype.clone();
    Food1 food2 = shallowClone.getFood();
    /**
     * food1 == food2 表达式的值为 true，说明food1和food2是同一个对象，即指向同一块内存地址
     */
    System.out.println(food1 == food2);
}

4. 深克隆实现

1. Food2对象：
   由于要实现深克隆，因此Food2对象也相当于一个具体原型类，要实现Cloneable接口，重写clone方法

@Data
public class Food2 implements Cloneable {
    private String name;
    private double price;

    public Food2(String name, double price){
        this.name = name;
        this.price = price;
    }

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

具体原型类：

@Data
public class PrototypeForDeepClone implements Cloneable {
    private String name;
    private String sex;
    private int age;
    private Food2 food;


    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        /**
         * super.clone()仅仅能实现浅复制，要想实现深复制，必须一个个进行复制
         */
        PrototypeForDeepClone prototype = new PrototypeForDeepClone();
        prototype.name = this.name;
        prototype.sex = this.sex;
        prototype.age = this.age;
        prototype.food = (Food2) this.food.clone();
        return prototype;
    }
}

调用类：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Food2 food1 = new Food2("fish", 12);
    PrototypeForDeepClone prototype = new PrototypeForDeepClone();
    prototype.setName("张三");
    prototype.setSex("男");
    prototype.setAge(22);
    prototype.setFood(food1);

    PrototypeForDeepClone deepClone = (PrototypeForDeepClone)prototype.clone();
    Food2 food2 = deepClone.getFood();
    /**
     * food1 == food2 表达式的值为 false，说明food1和food2不是同一个对象
     * food1.equals(food2) 表达式的值为 true，说明clone成功
     */
    System.out.println(food1 == food2);
    System.out.println(food1.equals(food2));
}