23种设计模式——原型模式

1、原型模式

1.1、原型模式的定义与特点

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。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

原型模式的优点：

• 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。

原型模式的缺点：

• 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。

1.2、原型模式的结构与实现

1. 模式的结构

原型模式包含以下主要角色。

1. 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口：Cloneable 接口。
2. 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。
3. 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

2. 模式的实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

• 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。

Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下：

/**
 * @ClassName: PrototypeTest
 * @Description:原型模式
 * @Author: DiTian
 * @Date: 2021/7/17 19:58
 */
public class PrototypeTest {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        RealizeType realizeType = new RealizeType();
        Object clone = realizeType.clone();
        System.out.println("realizeType==clone?"+(realizeType==clone));
    }
}

//具体原型类
class RealizeType implements Cloneable{
    public RealizeType() {
        System.out.println("具体原型创建成功！");
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功！");
        return (RealizeType)super.clone();
    }
}

执行结果：

2、应用实例

2.1、孙悟空复制

/**
 * @ClassName: ProtoTypeWuKong
 * @Description:相同的对象实例：孙悟空复制
 * @Author: DiTian
 * @Date: 2021/7/17 21:49
 */

class SunWuKong extends JPanel implements Cloneable{
    public SunWuKong(){
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/WuKong.jpg"));
        this.add(l1);
    }
    public Object clone(){
        SunWuKong w = null;
        try {
            w = (SunWuKong) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("拷贝孙悟空失败！");
        }
        return w;
    }
}
public class ProtoTypeWuKong {
    public static void main(String[] args) {
        JFrame jf = new JFrame("原型模式测试");
        jf.setLayout(new GridLayout(2,1));
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        SunWuKong sunWuKong = new SunWuKong();
        contentPane.add(sunWuKong);
        SunWuKong sunWuKong2 = (SunWuKong) sunWuKong.clone();
        contentPane.add(sunWuKong2);
        jf.pack();
        jf.setVisible(true);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    }
}

执行结果：

2.2、三好学生奖状制作：只需更改学生姓名即可

/**
 * @ClassName: Citation
 * @Description:原型模式创建三好学生奖状
 * @Author: DiTian
 * @Date: 2021/7/18 9:02
 */
public class ProtoTypeCitation{
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Citation citation = new Citation("扶风", "荣获2021年三好学生荣誉称号", "清华大学");
        citation.display();
        Citation clone =(Citation) citation.clone();
        clone.setName("帝天");
        clone.display();
    }
}
//奖状原型类
class Citation  implements Cloneable {
    private String name;
    private String info;
    private String college;

    public Citation(String name, String info, String college) {
        this.name = name;
        this.info = info;
        this.college = college;
        System.out.println("奖状创建成功！");
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    void display(){
        System.out.println(name+info+college);
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {

        System.out.println("奖状拷贝成功！");
        return (Citation)super.clone();
    }

}

执行结果：

3、原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景。

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

在 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。

4、扩展实例

import java.util.*;

interface Shape extends Cloneable {
    public Object clone();    //拷贝

    public void countArea();    //计算面积
}

class Circle implements Shape {
    public Object clone() {
        Circle w = null;
        try {
            w = (Circle) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("拷贝圆失败!");
        }
        return w;
    }

    public void countArea() {
        int r = 0;
        System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        r = input.nextInt();
        System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");
    }
}

class Square implements Shape {
    public Object clone() {
        Square b = null;
        try {
            b = (Square) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("拷贝正方形失败!");
        }
        return b;
    }

    public void countArea() {
        int a = 0;
        System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        a = input.nextInt();
        System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");
    }
}

class ProtoTypeManager {
    private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();

    public ProtoTypeManager() {
        ht.put("Circle", new Circle());
        ht.put("Square", new Square());
    }

    public void addshape(String key, Shape obj) {
        ht.put(key, obj);
    }

    public Shape getShape(String key) {
        Shape temp = ht.get(key);
        return (Shape) temp.clone();
    }
}

public class ProtoTypeShape {
    public static void main(String[] args) {
        ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
        Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
        obj1.countArea();
        Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
        obj2.countArea();
    }
}

执行结果：

这是一个圆，请输入圆的半径：3
该圆的面积=28.2735

这是一个正方形，请输入它的边长：3
该正方形的面积=9
anager();
        Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
        obj1.countArea();
        Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
        obj2.countArea();
    }
}

执行结果：

这是一个圆，请输入圆的半径：3
该圆的面积=28.2735

这是一个正方形，请输入它的边长：3
该正方形的面积=9