《Android源码设计模式》之原型模式

原型模式介绍

　　原型模式是一个创建型的模式。原型二字表明了该模式应该有一个样板实例，用户从这个样板对象中复制出一个内部属性一致的对象，被复制的实例就是我们所称的“原型”，这个原型是可以定制的。原型模式多用于创建复杂的或者构造耗时的实例，因为这种情况下，复制一个已经存在的实例可以使程序运行更高效。

原型模式的定义

　　用原型实例指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象

原型模式的使用场景

（1）类初始化需要消耗非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等，通过原型拷贝避免这些消耗。
（2）通过new产生一个对象需要非常频繁的数据准备或访问权限，这时可以使用原型模式。
（3）一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用，即保护性拷贝。

原型模式的UML类图

Client：客户端用户。
Prototype：抽象类或者接口，声明具备clone能力。
ConcretePrototype：具体的原型类。

原型模式的简单实现

以文档拷贝为例：在例子中，创建一个文档对象（WordDocument），此文档中包含文字和图片。用户现在想对文档做进一步编辑，但是又想保留原版，所以用户需要先拷贝一份，然后在此副本上修改。

package com.guifa.myapplication;

import java.util.ArrayList;

/**
 * 文档类型，扮演的是ConcretePrototype角色，而cloneable是代表prototype
 */
public class WordDocument implements Cloneable {
    // 文本
    private String mText;
    // 图片名列表
    private ArrayList<String> mImages = new ArrayList<>();

    public WordDocument() {
        System.out.println("----------WordDocument的构造函数----------");
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        try {
            WordDocument doc = (WordDocument) super.clone();
            doc.mText = this.mText;
            doc.mImages = this.mImages;
            return doc;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public String getmText() {
        return mText;
    }

    public void setmText(String mText) {
        this.mText = mText;
    }

    public ArrayList<String> getmImages() {
        return mImages;
    }

    public void setmImages(ArrayList<String> mImages) {
        this.mImages = mImages;
    }

    public void addImages(String img) {
        this.mImages.add(img);
    }

    public void showDocument() {
        System.out.println("----------Word Content Start----------");
        System.out.println("Text :" + mText);
        System.out.println("ImageList List:");
        for (String imgNmae : mImages) {
            System.out.println("image name : " + imgNmae);
        }
        System.out.println("");
        System.out.println("");
        System.out.println("----------Word Content End----------");
    }
}

　　上面通过WordDocument模拟了文档，WordDocument在该原型模式示例中扮演的角色为ConcretePrototype，而Cloneable的角色则为Prototype。WordDocument中的clone方法用以实现对象克隆。注意，这个方法并不是Cloneable接口中的，而是Object中的方法。Cloneable是一个标识接口，它标识这个类的对象是可拷贝的。若没有实现Cloneable接口却调用了clone()函数将抛出异常。
下面看看Client端的使用：

package com.guifa.myapplication;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        WordDocument originDoc = new WordDocument();
        originDoc.setmText("这是一篇文档");
        originDoc.addImages("图片1");
        originDoc.addImages("图片2");
        originDoc.addImages("图片3");
        originDoc.showDocument();

        try {
            WordDocument wordDocument = (WordDocument) originDoc.clone();
            wordDocument.showDocument();

            wordDocument.setmText("这是修改后的文档");

            wordDocument.showDocument();
            originDoc.showDocument();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果：

　　wordDocument是通过originDoc.clone()创建的。且wordDocument第一次输出的时候和originDoc输出是一样的，即wordDocument是originDoc的一份拷贝。而wordDocument修改了文本内容后不会对originDoc产生影响，这就保证了originDoc的安全性。还需要注意，通过clone拷贝对象时并不会执行构造函数！

浅拷贝和深拷贝

　　上诉原型模式实际上只是一个浅拷贝，也叫影子拷贝。这份拷贝实际上并不是将原来的文档的所有字段都重新构造了一份，而是副本文档的字段引用原始文档的字段。
将main函数的内容改一下：

package com.guifa.myapplication;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        WordDocument originDoc = new WordDocument();
        originDoc.setmText("这是一篇文档");
        originDoc.addImages("图片1");
        originDoc.addImages("图片2");
        originDoc.addImages("图片3");
        originDoc.showDocument();

        try {
            WordDocument wordDocument = (WordDocument) originDoc.clone();
            wordDocument.showDocument();

            wordDocument.setmText("这是修改后的文档");
            wordDocument.addImages("哈哈.jpg");

            wordDocument.showDocument();
            originDoc.showDocument();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果如下：

　　可以看出，最后两个文档输出是一致的，我们在wordDocument中添加了一张名为“哈哈.jpg”的图片，但是也显示在orginDoc中，这是为什么？原来上文中wordDocument的clone方法只是简单地进行浅拷贝，引用类型的新对象wordDocument只是单纯的指向了this.mImages引用，并没有重新构造一个mImages对象，然后将原始文档中的图片添加到新的mImages对象中，这样就导致wordDocument中的mImages与原始文档中的是同一个对象，因此修改了其中一个文档中的图片，另一个文档也会受影响。wordDocument的mImages添加了新的图片，实际上就是往originDoc里添加了新的图片。那么如果解决这个问题呢？答案就是采用深拷贝，即拷贝对象时，对于引用型的字段也要采用拷贝的形式，而不是单纯引用的形式。clone方法修改如下：

@Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        try {
            WordDocument doc = (WordDocument) super.clone();
            doc.mText = this.mText;
            // 对mImages对象也调用clone()函数，进行深拷贝
            doc.mImages = (ArrayList<String>) this.mImages.clone();
            return doc;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

如上所示，将doc.mImages指向this.mImages的一份拷贝，而不是this.mImages本身。

　　原型模式是非常简单的一个模式，它的核心问题就是对原始对象进行拷贝，在这个模式的使用过程中需要注意的一点就是：深、浅拷贝的问题。在开发过程中，为了减少错误，建议大家在使用该模式时尽量使用深拷贝，避免操作副本时影响原始对象的问题。

总结

　　原型模式本质上就是对象拷贝，与C++中的拷贝构造函数有些类似，它们之间容易出现的问题也都是深拷贝、浅拷贝。使用原型模式可以解决构建复杂对象的资源消耗问题，能够在某些场景下提升创建对象的效率。还有一个重要的用途就是保护性拷贝，也就是某个对象对外可能是只读的，为了防止外部对这个只读对象修改，通常可以通过返回一个对象拷贝的形式实现只读的限制，

优点与缺点

优点：

　　原型模式是在内存中二进制流的拷贝，要比直接new一个对象性能好很多，特别是要在一个循环体内产生大量的对象时，原型模式可以更好地体现其优点。

缺点：

　　这既是它的优点也是缺点，直接在内存中拷贝，构造函数是不会执行的，在实际开发中应该注意这个潜在的问题。优点就是减少了约束，缺点也是减少了约。