【设计模式-2】原型模式的原理、代码实现及类图展示

 我们一定对类的实例化比较熟悉，前面我们说的单例、还有3种工厂模式都是通过new关键字来创建对象，下面我们来了解一种新的对象创建的方式。

1. 定义

 原型模式也是一种创建型的设计模式，实现和原理总体比较简单，一句话总结呢，就是可以实现用已有的对象创建新的对象，而不是用类来实例化对象，这样可以起到提升效率的目的。

 众所周知，类的实例化可以创建对象，但其实这是一个比较耗时耗力的工作，尤其是在大量实例化对象的业务场景下，可能会对系统的性能造成很大的影响。这时候，原型模式就可以很好的解决问题，用已有的对象来生成对象的副本，这里已有的对象就是原型对象，副本对象就是拷贝对象。这样对于那些有非常复杂的初始化的操作，或者是需要消耗大量资源的情况，原型模式的优势就体现出来了。

2. 代码实现

 我们来举一个飞机大战的游戏例子，游戏的场是在手机屏幕上方，飞下来很多敌机，而我方战机只有一架，其中敌机的飞行轨迹必须是呈上下直线型的，我方战机可以上下左右移动。因为本篇我们学习原型模式，所以重点关照的是敌机，我方战机其实可以通过前面讲的单例模式实现。

2.1 实例化方式

 假设游戏过程有500架敌机出现，通常情况下，使用实例化创建对象的方式，代码实现可以这样。

public class EnemyPlain {
    // x坐标
    private int x;
    // y坐标
    private int y;
    // 敌机固定x坐标，只能上下移动
    public EnemyPlain(int x) {
        this.x = x;
    }
    public int getX() {
        return x;
    }
    public int getY() {
        return y;
    }
    // 手柄每调用一次setY方法，Y坐标加一
    public void setY() {
        y ++ ;
    }
}

 客户端获取敌机的方法如下：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 500架敌机集合
        List<EnemyPlain> enemyPlains = new ArrayList<>();
        // 实例化500架敌机
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            // 随机出现在0~200的坐标内
            EnemyPlain enemyPlain = new EnemyPlain(RandomUtil.randomInt(200));
            enemyPlains.add(enemyPlain);
        }
    }
}

 这种代码实现的方式是很常见的，但要命的是这500个对象在客户端初始化的时候就会被创建出来，500个对象会占用大量的堆内存空间，这还是定义的对象只有两个属性的前提下。另外，CPU本身就是很宝贵的资源，一次性实例化500个对象，本身也会消耗系统很大的系统资源，极端的情况下会造成游戏界面卡顿，造成不友好的用户体验，下面我们用原型模式来试一下。

2.2 原型模式

 原型模式的代码实现，首先把原型类实现java.lang.Clone接口，接着实现 clone()方法。

// 1.实现java.lang.Clone接口
public class EnemyPlain implements Cloneable {
    // x坐标
    private int x;
    // y坐标
    private int y;
    // 敌机固定x坐标，只能上下移动
    public EnemyPlain(int x) {
        this.x = x;
    }
    public int getX() {
        return x;
    }
    public int getY() {
        return y;
    }
    // 手柄每调用一次setY方法，Y坐标加一
    public void setY() {
        y ++ ;
    }
    public void setX(int x) {
        this.x = x;
    }
    // 重写克隆 clone 方法
    @Override
    public EnemyPlain clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (EnemyPlain)super.clone();
    }
}

 客户端获取原型拷贝副本代码实现：

public class ClientAno {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        // 创建原型对象
        EnemyPlain enemyPlain = new EnemyPlain(100);
        // 存放500架敌机
        List<EnemyPlain> list = new ArrayList<>();
        // 克隆500架敌机
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            EnemyPlain clonePlain = enemyPlain.clone();
            // 设置横坐标
            clonePlain.setX(RandomUtil.randomInt(200));
            list.add(clonePlain);
        }
    }
}

 这里需要特别说明，clone()方法并不是从Cloneable接口实现来的，而是继承自java.lang.Object对象。另外，一般在获取克隆对象的时候，可以借助工厂模式一块实现。

3. UML类图

 下面，就以上面飞机大战这个游戏的这个例子，画一个原型模式的UML类图。

4. 深拷贝和浅拷贝

 想使用原型模式，就必须涉及到深拷贝和浅拷贝这两个概念，也是我们在开发中使用这个设计模式最容易出问题的地方，那这两者有什么区别呢？

 Java中的变量分为原始类型和引用类型的，浅拷贝只会拷贝原始类型的值，引用类型的值只是拷贝了引用的地址，而深拷贝则会拷贝原始类型的值，并且给引用类型的属性从新克隆一个新的对象，这个对象在堆中地址都会不一样了。我们来举个例子，有a这个原型对象，克隆了b这个副本对象，两个对象都有同一个 Date 类型的属性，如果修改了a对象的 x 属性的值，那么b对象的这个值也会被改变，这在某些场景中可能会出问题，所以要提防这个坑。使用深拷贝，可以参考hutool工具包的api，方便我们开发。

5. 总结

 最后来一点总结：从类创建对象叫做实例化，从对象生成对象叫做克隆。究其本质，克隆操作时，java虚拟机会进行内存操作，通过拷贝原型对象的数据流生成新的副本对象，就不会触发一些复杂的操作（比如类加载、初始化等），所以效率是远远高于通过new关键字所触发的实例化操作。