Java设计模式（四）—原型模式、建造者模式

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第七章原型模式

7.1 克隆羊问题

现在有一只羊 tom，姓名为: tom, 年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊属性完全相同的 10只羊。

7.2 传统方式解决克隆羊问题

类图
代码实现
（1）羊类

public class Sheep {
	private String name;
	private int age;
	private String color;
	public Sheep(String name, int age, String color) {
		super();
		this.name = name;
		this.age = age;
		this.color = color;
	}
	//各变量的set和get方法
	@Override
	public String toString() {
		return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + "]";
	}
}

（2）使用类

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		//传统的方法
		Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
		Sheep sheep2 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
		Sheep sheep3 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
		//....
		System.out.println(sheep);
		System.out.println(sheep2);
		System.out.println(sheep3);
		//...
	}
}

传统的方式的优缺点
（1）优点是比较好理解，简单易操作。
（2）在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性（get方法），如果创建的对象比较复杂时，效率较低
（3）总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活.
改进的思路分析
思路：Java 中 Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone()方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是需要实现 clone 的 Java 类必须要实现一个接口 Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 =>原型模式

7.3 原型模式

7.3.1 基本介绍

（1）原型模式(Prototype 模式)是指：用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
（2）原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节 。
（3）工作原理是：通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即对象.clone()
（4）形象的理解：孙大圣拔出猴毛，变出其它孙大圣

7.3.2. 原型模式原理结构图-uml 类图

在这里插入图片描述
（1）Prototype：原型类。声明一个克隆自己的接口
（2）ConcretePrototype：具体的原型类，实现一个克隆自己的操作，可以有很多个。
（3）Client：让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象(属性一样）

7.3.3 代码实现

Sheep类

public class Sheep implements Cloneable {
	private String name;
	private int age;
	private String color;
	private String address = "蒙古羊";
	public Sheep friend; //是对象, 克隆是会如何处理
	public Sheep(String name, int age, String color) {
		super();
		this.name = name;
		this.age = age;
		this.color = color;
	}
	//各变量的get和set方法
	//重写tostring方法
	//克隆该实例，使用默认的clone方法来完成
	@Override
	protected Object clone()  {
		Sheep sheep = null;
		try {
			sheep = (Sheep)super.clone();
		} catch (Exception e) {
			System.out.println(e.getMessage());
		}
		return sheep;
	}
}

Client类

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("原型模式完成对象的创建");
		Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");

		Sheep sheep2 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
		Sheep sheep3 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
	}
}

在这里插入图片描述
执行结果会将添加的属性方法一起打印。

7.4 原型模式在 Spring 框架中源码分析

Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式的应用
代码分析+Debug 源码

7.5 深入讨论-浅拷贝和深拷贝

7.5.1浅拷贝的介绍

对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。
对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值
在上例中，如果我们给克隆羊定义了一个friend，然后对克隆羊进行拷贝时，他们的friend指向同一个地址。
浅拷贝是使用默认的 clone()方法来实现
sheep = (Sheep) super.clone();

7.5.2深拷贝基本介绍

复制对象的所有基本数据类型的成员变量值
为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝
深拷贝实现方式 1：重写 clone 方法来实现深拷贝
深拷贝实现方式 2：通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

7.6 深拷贝的代码实现

深拷贝的目标类

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {
	private String cloneName;
	private String cloneClass;
	//构造器
	public DeepCloneableTarget(String cloneName, String cloneClass) {
		this.cloneName = cloneName;
		this.cloneClass = cloneClass;
	}
	//因为该类的属性，都是String , 因此我们这里使用默认的clone完成即可
	@Override
	protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
		return super.clone();
	}
}

DeepProtoType类

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable{
	public String name; //String 属性
	public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型
	public DeepProtoType() {
		super();
	}
	//深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
	@Override
	protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
		//对基本类型和引用类型分别处理
		Object deep = null;
		//这里完成对基本数据类型(属性)和String的克隆
		deep = super.clone(); 
		//对引用类型的属性，进行单独处理
		DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
		deepProtoType.deepCloneableTarget  = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();
		return deepProtoType;
	}

	//深拷贝 - 方式2 通过对象的序列化实现 (推荐)
	public Object deepClone() {
		
		//创建流对象
		ByteArrayOutputStream bos = null;
		ObjectOutputStream oos = null;
		ByteArrayInputStream bis = null;
		ObjectInputStream ois = null;
		try {
			//序列化
			bos = new ByteArrayOutputStream();
			oos = new ObjectOutputStream(bos);//将字节输出流转换成对象输出流
			oos.writeObject(this); //当前这个对象以对象流的方式输出
			
			//反序列化
			bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());//读入字节输入流，相当于克隆
			ois = new ObjectInputStream(bis);	//字节输出流转换成对象输出流
			DeepProtoType copyObj = (DeepProtoType)ois.readObject();
			return copyObj;
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
			e.printStackTrace();
			return null;
		} finally {
			//关闭流
			try {
				bos.close();
				oos.close();
				bis.close();
				ois.close();
			} catch (Exception e2) {
				System.out.println(e2.getMessage());
			}
		}
	}
}

测试

public class Client {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// TODO Auto-generated method stub
		DeepProtoType p = new DeepProtoType();
		p.name = "宋江";
		p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");
		//方式1 完成深拷贝
//		DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
//		System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
//		System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
	
		//方式2 完成深拷贝
		DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.deepClone();
		System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
		System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
	}
}

7.7 原型模式的注意事项和细节

创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率
不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码
在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码
缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了 ocp 原则，这点请同学们注意.

第八章建造者模式

8.1 实例需求：盖房子

需要建房子：这一过程为打桩、砌墙、封顶
房子有各种各样的，比如普通房，高楼，别墅，各种房子的过程虽然一样，但是要求不要相同的.

8.2 传统方式解决需求

UML图
代码实现
（1）抽象的盖房代码

public abstract class AbstractHouse {
	//打地基
	public abstract void buildBasic();
	//砌墙
	public abstract void buildWalls();
	//封顶
	public abstract void roofed();
	
	public void build() {
		buildBasic();
		buildWalls();
		roofed();
	}
}

（2）普通盖房类

public class CommonHouse extends AbstractHouse {
	@Override
	public void buildBasic() {
		System.out.println(" 普通房子打地基 ");
	}
	@Override
	public void buildWalls() {
		System.out.println(" 普通房子砌墙 ");
	}
	@Override
	public void roofed() {
		System.out.println(" 普通房子封顶 ");
	}
}

（3）客户端

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		CommonHouse commonHouse = new CommonHouse();
		commonHouse.build();
	}
}

传统方式存在的问题
（1）优点是比较好理解，简单易操作。
（2）设计的程序结构，过于简单，没有设计缓存层对象，程序的扩展和维护不好. 也就是说，这种设计方案，把产品(即：房子) 和创建产品的过程(即：建房子流程) 封装在一起，耦合性增强了。
（3）解决方案：将产品和产品建造过程解耦 => 建造者模式.

8.3 建造者模式基本介绍

基本介绍
（1）建造者模式（Builder Pattern）又叫生成器模式，是一种对象构建模式。它可以将复杂对象的建造过程抽象出来（抽象类别），使这个抽象过程的不同实现方法可以构造出不同表现（属性）的对象。
（2）建造者模式 是一步一步创建一个复杂的对象，它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们，用户不需要知道内部的具体构建细节。
建造者模式的四个角色
（1）Product（产品角色）：一个具体的产品对象。
（2）Builder（抽象建造者）：创建一个 Product 对象的各个部件指定的 接口/抽象类。
（3） ConcreteBuilder（具体建造者）： 实现接口，构建和装配各个部件。
（4）Director（指挥者）： 构建一个使用 Builder 接口的对象。它主要是用于创建一个复杂的对象。它主要有两个作用，一是：隔离了客户与对象的生产过程，二是：负责控制产品对象的生产过程。
建造者模式UML图

8.4 建造者模式的代码实现

产品

//产品->Product
public class House {
	private String baise;
	private String wall;
	private String roofed;
	//各变量的get和set方法
}

抽象的建造者

// 抽象的建造者
public abstract class HouseBuilder {
	protected House house = new House();
	//将建造的流程写好, 抽象的方法
	public abstract void buildBasic();
	public abstract void buildWalls();
	public abstract void roofed();
	
	//建造房子好， 将产品(房子) 返回
	public House buildHouse() {
		return house;
	}
}

具体的实现类CommonHouse类、HighBuilding类类似

public class CommonHouse extends HouseBuilder {
	@Override
	public void buildBasic() {
		System.out.println(" 普通房子打地基5米 ");
	}
	@Override
	public void buildWalls() {
		System.out.println(" 普通房子砌墙10cm ");
	}
	@Override
	public void roofed() {
		System.out.println(" 普通房子屋顶 ");
	}
}

指挥者类

//指挥者，这里去指定制作流程，返回产品
public class HouseDirector {
	HouseBuilder houseBuilder = null;
	//构造器传入 houseBuilder
	public HouseDirector(HouseBuilder houseBuilder) {
		this.houseBuilder = houseBuilder;
	}
	//通过setter 传入 houseBuilder
	public void setHouseBuilder(HouseBuilder houseBuilder) {
		this.houseBuilder = houseBuilder;
	}
	//如何处理建造房子的流程，交给指挥者
	public House constructHouse() {
		houseBuilder.buildBasic();
		houseBuilder.buildWalls();
		houseBuilder.roofed();
		return houseBuilder.buildHouse();
	}
}

客户端

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		//盖普通房子
		CommonHouse commonHouse = new CommonHouse();
		//准备创建房子的指挥者
		HouseDirector houseDirector = new HouseDirector(commonHouse);
		//完成盖房子，返回产品(普通房子)
		House house = houseDirector.constructHouse();

		System.out.println("--------------------------");
		//盖高楼
		HighBuilding highBuilding = new HighBuilding();
		//重置建造者
		houseDirector.setHouseBuilder(highBuilding);
		//完成盖房子，返回产品(高楼)
		houseDirector.constructHouse();
	}
}

8.5 建造者模式在JDK 的应用和源码分析

java.lang.StringBuilder 中的建造者模式
总结
（1） Appendable 接口定义了多个 append 方法(抽象方法), 即 Appendable 为抽象建造者, 定义了抽象方法
（2）AbstractStringBuilder 实现了 Appendable 接口方法，这里的 AbstractStringBuilder 已经是建造者，只是不能实例化
（3）StringBuilder 即充当了指挥者角色，同时充当了具体的建造者，建造方法的实现是由 AbstractStringBuilder 完成, 而 StringBuilder 继承了 AbstractStringBuilder
这个源码并不一定标准的建造者模式，但思想是相同的。

8.6 建造者模式的注意事项和细节

客户端(使用程序)不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象
每一个具体建造者都相对独立，而与其他的具体建造者无关，因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者， 用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象
可以更加精细地控制产品的创建过程 。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，
也更方便使用程序来控制创建过程
增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，指挥者类针对抽象建造者类编程，系统扩展方便，符合 “开闭原则”
建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似，如果产品之间的差异性很大，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制。
如果产品的内部变化复杂，可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，导致系统变得很庞大，因此在这种情况下，要考虑是否选择建造者模式.

抽象工厂模式 VS 建造者模式
抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族是这样的一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式不需要关心构建过程，只关心什么产品由什么工厂生产即可。而建造者模式则是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品。