设计模式三（原型模式）

原创 于 2021-03-01 15:41:29 发布 · 228 阅读 · 0 ·
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#设计模式 #prototype

原型模式

原型模式（Prototype Pattern）是指原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象，属于创建型模式。

原型模式的核心在于拷贝原型对象，以系统中已存在的一个对象为原型，直接基于内存二进制流进行拷贝，无须再经历耗时的对象创建过程（不调用构造函数），性能提升许多。当对象的创建过程比较耗时，可以利用当前系统中已存在的对象作为原型，对其进行克隆（一般是基于二进制流的复制），躲避初始化过程，使得新对象的创建时间大大减少。

应用场景

你一定遇到过大篇幅的 getter、setter赋值的场景，比如这样的代码：
在这里插入图片描述
代码非常工整，命名非常规范，注释也写的很全面，其实这就是原型模式的需求场景。但是，大家觉得这样的代码优雅吗？我认为，这样的代码属于纯体力劳动，那原型模式能帮助我们解决这样的问题。
原型模式主要适用于一下场景：

  • 类初始化消耗资源较多；
  • new 产生的一个对象需要非常繁琐的过程（数据准备、访问权限等）；
  • 构造函数比较复杂；
  • 循环体中产生大量对象时；

在 Spring 中，原型模式应用的非常广泛。例如：scope = “prototype”，我们经常使用的JSON.parseObject()也是一种原型模式。

原型模式的通用写法

下面来看一下原型模式的写法：

/**
* 自定义接口
*/
public interface IPrototype<T> {
    T clone();
}

编写实现类，并实现 clone() 方法：

public class ConcretePrototype implements IPrototype {

	private int age;
	private String name;

	public int getAge() {
		return age;
	}

	public void setAge(int age) {
		this.age = age;
	}

	public String getName() {
		return name;
	}

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

	@Override
	public ConcretePrototype clone() {
		ConcretePrototype concretePrototype = new ConcretePrototype();
		concretePrototype.setAge(this.age);
		concretePrototype.setName(this.name);
		return concretePrototype;
	}

	@Override
	public String toString() {
		return "ConcretePrototype{" +
				"age=" + age +
				", name='" + name + '\'' +
				'}';
	}
}

下面进行测试：

public class PrototypeTest {


    public static void main(String[] args) {
        //创建原型对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
        prototype.setAge(18);
        prototype.setName("Jack");
        System.out.println(prototype);

        //拷贝原型对象
        ConcretePrototype cloneType = prototype.clone();
        System.out.println(cloneType);
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述
可以看出，结果是一样的。这个时候，有小伙伴就会问了，原型模式就这么简单吗？对，就是这么简单。在这个简单的场景之下，看上去操作好像变复杂了，但是如果有好几百个属性需要复制，那我们就可以一劳永逸。

上面的过程，是我们自己完成，其实JDK已经有写好的接口来实现原型模式了，不用我们自己来写接口再去自己实现，我们只需要实现Cloneable接口即可，来看 JDK 的实现：

@Data
public class ConcretePrototype implements Cloneable {

    private int age;
    private String name;
    /**
    * 新增个人爱好属性
    */
    private List<String> hobbies;

    @Override
    public ConcretePrototype clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }


    @Override
    public String toString() {
        return "ConcretePrototype{" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", hobbies=" + hobbies +
                '}';
    }
}

测试代码：

public class PrototypeTest {


    public static void main(String[] args) {
        //创建原型对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
        prototype.setAge(18);
        prototype.setName("Jack");
        List<String> hobbies = new ArrayList<>();
        hobbies.add("编程");
        hobbies.add("游戏");
        prototype.setHobbies(hobbies);

        //拷贝原型对象
        ConcretePrototype cloneType = prototype.clone();
        cloneType.getHobbies().add("技术控");

        System.out.println("原型对象：" + prototype);
        System.out.println("克隆对象：" + cloneType);
        System.out.println(prototype == cloneType);

        System.out.println("原型对象的爱好：" + prototype.getHobbies());
        System.out.println("克隆对象的爱好：" + cloneType.getHobbies());
        System.out.println(prototype.getHobbies() == cloneType.getHobbies());

    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述
发现，我们给克隆后的对象新增了一个爱好，原型对象也发送了变化，这显然不符合我们的预期。因为我们希望克隆出来的对象应该和原型对象是两个独立的对象，不应该再有联系了，从测试结果来看，应该是 hobbies共用了一个内存地址，意味着复制的不是值，而是引用地址。这样的话，如果修改任意一个对象中属性的值，原型和克隆后的对象值都会变，这就是我们经常说的浅克隆。只是完整复制了值类型数据，没有复制引用对象，换言之，所有的引用对象仍然指向原来的对象，显然不是我们想要的结果。那如何解决这个问题呢？我们使用深克隆来改造。

使用序列化完成深度克隆

在上面的代码中，我们继续改造，添加一个 deepClone()方法：

@Data
public class ConcretePrototype implements Cloneable, Serializable {

	private int age;
	private String name;
	private List<String> hobbies;

	@Override
	public ConcretePrototype clone() {
		try {
			return (ConcretePrototype) super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
			return null;
		}
	}

	/**
	 * 使用序列化来完成深度克隆
	 *
	 * @return
	 */
	public ConcretePrototype deepClone() {
		try {
			ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
			ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
			oos.writeObject(this);

			ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
			ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);

			return (ConcretePrototype) ois.readObject();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
			return null;
		}


	}

	@Override
	public String toString() {
		return "ConcretePrototype{" +
				"age=" + age +
				", name='" + name + '\'' +
				", hobbies=" + hobbies +
				'}';
	}
}

测试代码：

    public static void main(String[] args) {
        //创建原型对象
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
        prototype.setAge(18);
        prototype.setName("Jack");
        List<String> hobbies = new ArrayList<String>();
        hobbies.add("编程");
        hobbies.add("游戏");
        prototype.setHobbies(hobbies);

        //拷贝原型对象
        ConcretePrototype cloneType = prototype.deepClone();
        cloneType.getHobbies().add("技术控");

        System.out.println("原型对象：" + prototype);
        System.out.println("克隆对象：" + cloneType);
        System.out.println(prototype == cloneType);


        System.out.println("原型对象的爱好：" + prototype.getHobbies());
        System.out.println("克隆对象的爱好：" + cloneType.getHobbies());
        System.out.println(prototype.getHobbies() == cloneType.getHobbies());

    }

运行结果：
在这里插入图片描述
通过运行结果，发现我们得到了想要的结果。再来看看JDK 中 ArrayList里面的 clone()方法，源码如下：

/**
     * Returns a shallow copy of this <tt>ArrayList</tt> instance.  (The
     * elements themselves are not copied.)
     *
     * @return a clone of this <tt>ArrayList</tt> instance
     */
    public Object clone() {
        try {
            ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError(e);
        }
    }

再看 Arrays.copyOf()方法的实现：

public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
        return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
    }

发现是通过浅克隆的方式，只不过将每个元素进行了复制，我们使用 ArrayList.clone()进行改造，属于硬编码，代码如下：

@Data
public class ConcretePrototype implements Cloneable, Serializable {

	private int age;
	private String name;
	private List<String> hobbies;

	@Override
	public ConcretePrototype clone() {
		try {
			return (ConcretePrototype) super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
			return null;
		}
	}

	/**
	 * 使用 ArrayList 来完成深度克隆
	 *
	 * @return
	 */
	public ConcretePrototype deepCloneHobbies() {
		try {
			ConcretePrototype result = (ConcretePrototype) super.clone();
			result.hobbies = (List) ((ArrayList) result.hobbies).clone();
			return result;
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
			return null;
		}
	}

	/**
	 * 使用序列化来完成深度克隆
	 *
	 * @return
	 */
	public ConcretePrototype deepClone() {
		try {
			ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
			ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
			oos.writeObject(this);

			ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
			ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);

			return (ConcretePrototype) ois.readObject();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
			return null;
		}
	}

	@Override
	public String toString() {
		return "ConcretePrototype{" +
				"age=" + age +
				", name='" + name + '\'' +
				", hobbies=" + hobbies +
				'}';
	}
}

运行结果：
在这里插入图片描述
运行结果，依然如我们所预料的那样。

克隆破坏单例模式

如果我们克隆的目标对象是单例对象，那意味着深克隆就会破坏单例（可以参考我的上一篇文章来看如何破坏单例及防止破坏单例）。实际上，防止克隆破坏单例的解决思路非常简单，禁止深克隆即可。要么我们的单例类不实现Cloneable 接口；要么我们重写 clone 方法，直接返回单例的实例化对象；

	@Override
	public Object clone() {
		return INSTANCE;
	}
原型模式的优缺点

优点：

  1. 性能优良，Java自带的原型模式，是基于二进制流的拷贝，比直接 new 一个对象，性能上提升了许多；
  2. 可以使用深克隆的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：

  1. 需要为每一个类配置一个克隆方法；
  2. 克隆方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违反了开闭原则；
  3. 在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套嵌套引用时，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，深拷贝、浅拷贝需要运用得当。

好了，原型模式就写这么多，在实际应用中也会经常见到，比如：BeanUtils.copy…等，慢慢发掘吧！

上一篇：单例模式 https://blog.youkuaiyun.com/qq_20315217/article/details/114130214
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