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原型模式

发表于 更新于 分类于

设计模式之原型模式

定义

  原型模式(Prototype Pattern)：使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。原型模式是一种对象创建型模式。

了解

  在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。

结构图

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  • Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
  • ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
  • Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便。

核心（克隆方法）

通用实现方法

  通用的克隆实现方法是在具体原型类的克隆方法中实例化一个与自身类型相同的对象并将其返回，并将相关的参数传入新创建的对象中，保证它们的成员属性相同。

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class ConcretePrototype implements Prototype {
    private String attr; //成员属性
    public void setAttr(String attr) {
      this.attr = attr;
    }
	
    public String getAttr() {
      return this.attr;
    }
	
    public Prototype clone() //克隆方法
    {
      Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
      prototype.setAttr(this.attr);
      return prototype;
    }
}

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Prototype obj1  = new ConcretePrototype();
obj1.setAttr("Sunny");
Prototype obj2  = obj1.clone();

Java语言提供的clone()方法（常用）

  能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法，Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常

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class ConcretePrototype implements  Cloneable
{
……
public Prototype  clone()
{
　　Object object = null;
　　try {
　　　　　object = super.clone();
　　} catch (CloneNotSupportedException exception) {
　　　　　System.err.println("Not support cloneable");
　　}
　　return (Prototype )object;
}
……
}
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Prototype obj1  = new ConcretePrototype();
Prototype obj2  = obj1.clone();

示例

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浅克隆和深克隆

浅克隆

  在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有复制。
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example：
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深克隆

  在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制。
  在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。
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example：
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原型管理器

  原型管理器(Prototype Manager)是将多个原型对象存储在一个集合中供客户端使用，它是一个专门负责克隆对象的工厂，其中定义了一个集合用于存储原型对象，如果需要某个原型对象的一个克隆，可以通过复制集合中对应的原型对象来获得。在原型管理器中针对抽象原型类进行编程，以便扩展。
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example：
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总结

  原型模式作为一种快速创建大量相同或相似对象的方式，在软件开发中应用较为广泛，很多软件提供的复制(Ctrl + C)和粘贴(Ctrl + V)操作就是原型模式的典型应用。

优点

  1. 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
  2. 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
  3. 原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
  4. 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，以便在需要的时候使用（如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。

缺点

  1. 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。
  2. 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重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。

适用场景

  1. 创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
  2. 如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
  3. 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。

code

浅克隆和深克隆

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/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 启动类
 * @date 14:02 2019/12/26
 */
public class Boot {

    public static void main(String[] args) {

        // 先创建一个对象
        WeeklyLog weeklyLog = new WeeklyLog();
        weeklyLog.setContent("做了!");
        weeklyLog.setDate("第一周");
        weeklyLog.setName("pdd");
        // 设置附件
        Attachment attachment = new Attachment();
        attachment.setAttachmentName("附件a");
        weeklyLog.setAttachment(attachment);
        System.out.println(weeklyLog.getName() + weeklyLog.getDate() + weeklyLog.getContent());
        // 克隆对象
        WeeklyLog weeklyLog1 = null;
//        WeeklyLog weeklyLog1 = weeklyLog.clone();
        // 深克隆
        try {
            weeklyLog1 = weeklyLog.deepClone();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("深克隆异常!");
        }
        weeklyLog1.setDate("第二周");
        System.out.println(weeklyLog1.getName() + weeklyLog1.getDate() + weeklyLog1.getContent());
        // 比较
        System.out.println(weeklyLog == weeklyLog1); // false
        System.out.println(weeklyLog.getDate() == weeklyLog1.getDate()); // false
        System.out.println(weeklyLog.getName() == weeklyLog1.getName()); // true
        System.out.println(weeklyLog.getContent() == weeklyLog1.getContent()); // true
        System.out.println(weeklyLog.getAttachment() == weeklyLog1.getAttachment());
    }

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import java.io.*;

/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 工作周报
 * @date 14:02 2019/12/26
 */
public class WeeklyLog implements Cloneable, Serializable {

    private String name;
    private String date;
    private String content;
    // 附件
    private Attachment attachment;

    public Attachment getAttachment() {
        return attachment;
    }

    public void setAttachment(Attachment attachment) {
        this.attachment = attachment;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public String getDate() {
        return date;
    }

    public void setDate(String date) {
        this.date = date;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    /**
     * @Description: 复写clone方法克隆对象
     * @author Wangzy
     * @date 14:03 2019/12/26
     */
    @Override
    public WeeklyLog clone() {
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("不支持的克隆类!");
        }
        return (WeeklyLog) object;
    }

    /**
     * @Description: 深克隆 （包括引用类型的成员变量都会克隆）
     * @author Wangzy
     * @date 15:27 2019/12/26
     */
    public WeeklyLog deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
        // 将对象写入流中
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(this);

        // 将对象从流中取出
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return (WeeklyLog) ois.readObject();
    }

}
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import java.io.Serializable;

/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 周报附件（代表引用类型，用来区分浅克隆还是深克隆）
 * @date 15:11 2019/12/26
 */
public class Attachment implements Serializable {

    private String attachmentName;

    public String getAttachmentName() {
        return attachmentName;
    }

    public void setAttachmentName(String attachmentName) {
        this.attachmentName = attachmentName;
    }

    /**
     * @Description: 模拟附件下载功能
     * @author Wangzy
     * @date 15:13
     */
    public void download() {
        System.out.println("下载" + this.attachmentName + "附件成功");
    }
}

包含原型管理器

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/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 启动类
 * @date 14:02 2019/12/26
 */
public class PMBoot {

    public static void main(String[] args) {
        // 获取单例创建的原型管理器
        PrototypeManager prototypeManager = PrototypeManager.getInstance();
        // 获取克隆对象
        OfficalDocument farclone1 = prototypeManager.getOfficalDocument("far");
        OfficalDocument farclone2 = prototypeManager.getOfficalDocument("far");
        farclone1.display();
        farclone2.display();
        System.out.println(farclone1 == farclone2);
        OfficalDocument srsclone1 = prototypeManager.getOfficalDocument("srs");
        OfficalDocument srsclone2 = prototypeManager.getOfficalDocument("srs");
        srsclone1.display();
        srsclone2.display();
        System.out.println(srsclone1 == srsclone2);
    }
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import java.util.Hashtable;

/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 原型管理器(以公文管理器为例)
 * @date 16:17 2019/12/26
 */
public class PrototypeManager {

    // 用来存放原型
    Hashtable<String, Object> hashtable = new Hashtable<>();

    // 饿汉式单例模式生成原型管理器
    private static final PrototypeManager prototypeManager = new PrototypeManager();

    private PrototypeManager() {
        hashtable.put("far", new FAR());
        hashtable.put("srs", new SRS());
    }

    public static PrototypeManager getInstance() {
        return prototypeManager;
    }

    /**
     * @Description: 添加原型, 可通过此方法进行扩展，只需要新建一个具体原型类并且调用该方法存入key，value值即可，符合“开闭原则”
     * @author Wangzy
     * @date 16:20 2019/12/26
     */
    public void addOfficialDocument(String key, OfficalDocument officalDocument) {
        hashtable.put(key, officalDocument);
    }

    /**
     * @Description: 获取克隆对象
     * @author Wangzy
     * @date 16:24 2019/12/26
     */
    public OfficalDocument getOfficalDocument(String key) {
        OfficalDocument officalDocument = (OfficalDocument) hashtable.get(key);
        return officalDocument.clone();
    }
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/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 公文抽象类
 * @date 16:26 2019/12/26
 */
public interface OfficalDocument extends Cloneable{


    OfficalDocument clone();

    void display();
}
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/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 软件需求规格说明书
 * @date 16:28 2019/12/26
 */
public class FAR implements OfficalDocument {

    @Override
    public OfficalDocument clone() {
        // 浅克隆
        Object object = null;
        try {
           object =  super.clone();
           return (FAR) object;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("不支持的克隆类!");
            return null;
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("far display!");
    }
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/**
 * @author Wangzy
 * @Description: 可行性分析报告
 * @date 16:28 2019/12/26
 */
public class SRS implements OfficalDocument {

    @Override
    public OfficalDocument clone() {
        // 浅克隆
        Object object = null;
        try {
           object =  super.clone();
           return (SRS) object;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("不支持的克隆类!");
            return null;
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("srs display!");
    }
}

相关资料

https://blog.csdn.net/lovelion/article/details/7424559
https://blog.csdn.net/lovelion/article/details/7424594
https://blog.csdn.net/lovelion/article/details/7424620
https://blog.csdn.net/lovelion/article/details/7424623

-------------the end-------------