24种设计模式--原型模式【Prototype Pattern】

　　今天我们来讲原型模式，这个模式的简单程度是仅次于单例模式和迭代器模式，非常简单，但是要使用好这个模式还有很多注意事项。我们通过一个例子来解释一下什么是原型模式。

　　现在电子账单越来越流行了，比如你的信用卡，到月初的时候银行就会发一份电子邮件到你邮箱中，说你这个月消费了多少，什么时候消费的，积分是多少等等，这个是每个月发一次，但是还有一种也是银行发的邮件你肯定有印象：广告信，现在各大银行的信用卡部门都在拉拢客户，电子邮件是一种廉价、快捷的通讯方式，你用纸质的广告信那个费用多高呀，比如我今天推出一个信用卡刷卡抽奖活动，通过电子账单系统可以一个晚上发送给 600 万客户，为什么要用电子账单系统呢？直接找个发垃圾邮件不就解决问题了吗？是个好主意，但是这个方案在金融行业是行不通的，银行发这种邮件是有要求的，一是一般银行都要求个性化服务，发过去的邮件上总有一些个人信息吧，比如“XX 先生”， “XX 女士”等等，二是邮件的到达率有一定的要求，由于大批量的发送邮件会被接收方邮件服务器误认是垃圾邮件，因此在邮件头要增加一些伪造数据，以规避被反垃圾邮件引擎误认为是垃圾邮件；从这两方面考虑广告信的发送也是电子账单系统（电子账单系统一般包括：账单分析、账单生成器、广告信管理、发送队列管理、发送机、退信处理、报表管理等）的一个子功能，我们今天就来考虑一下广告信这个模块是怎么开发的。那既然是广告信，肯定需要一个模版，然后再从数据库中把客户的信息一个一个的取出，放到模版中生成一份完整的邮件，然后扔给发送机进行发送处理，我们来看类图：

　　在类图中 AdvTemplate 是广告信的模板，一般都是从数据库取出，生成一个 BO 或者是 DTO，我们这里使用一个静态的值来做代表；Mail 类是一封邮件类，发送机发送的就是这个类，我们先来看看我们的程序：

 package com.pattern.prototype;

 public class AdvTemplate {

     // 广告信名称
     private String advSubject = "XX银行国庆节用卡抽奖活动";

     // 广告信内容
     private String advContext = "国庆抽象活动通知：只要刷卡就送你1百万！...";

     // 取得广告信的名称
     public String getAdvSubject(){
         return this.advSubject;
     }

     // 取得广告信的内容
     public String getAdvContext(){
         return this.advContext;
     }

 }

 // 我们再来看邮件类：

 package com.pattern.prototype;

 public class Mail {
     // 收件人
     private String receiver;
     // 邮件名称
     private String subject;
     // 称谓
     private String appellation;
     // 邮件内容
     private String context;
     // 邮件的尾部，一般都是加上"XXX版权所有"等信息
     private String tail;

     // 构造函数
     public Mail(AdvTemplate advTemplate) {
         this.context = advTemplate.getAdvContext();
         this.subject = advTemplate.getAdvSubject();
     }

     public String getReceiver() {
         return receiver;
     }

     public void setReceiver(String receiver) {
         this.receiver = receiver;
     }

     public String getSubject() {
         return subject;
     }

     public void setSubject(String subject) {
         this.subject = subject;
     }

     public String getAppellation() {
         return appellation;
     }

     public void setAppellation(String appellation) {
         this.appellation = appellation;
     }

     public String getContext() {
         return context;
     }

     public void setContext(String context) {
         this.context = context;
     }

     public String getTail() {
         return tail;
     }

     public void setTail(String tail) {
         this.tail = tail;
     }
 }

　　Mail 就是一个业务对象，我们再来看业务场景类是怎么调用的：

 package com.pattern.prototype;

 import java.util.Random;

 public class Client {
     // 发送账单的数量，这个是值是从数据库中获得
     private static int MAX_COUNT = 6;

     public static void main(String[] args) {
         // 模拟发送邮件
         int i = 0;
         // 把模版定义出来，这个是从数据库中获得
         Mail mail = new Mail(new AdvTemplate());
         mail.setTail("XX银行版权所有");
         while(i < MAX_COUNT){
             // 以下是每封邮件不同的地方
             mail.setAppellation(getRandString(5) + " 先生（女士）");
             mail.setReceiver(getRandString(5) + "@" + getRandString(8) + ".com");
             // 然后发送邮件
             sendMail(mail);
             i ++;
         }
     }

     // 发送邮件
     public static void sendMail(Mail mail){
         System.out.println("标题：" + mail.getSubject() + "\t收件人："
                 + mail.getReceiver() + "\t...发送成功");
     }

     // 获得指定长度的随机字符串
     public static String getRandString(int maxLength){
         String source = "abcdefghijklmnopqrskuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         Random rand = new Random();
         for(int i=0;i<maxLength;i++){
             sb.append(source.charAt(rand.nextInt(source.length())));
         }
         return sb.toString();
     }
 }

　　由于是随机数，每次运行都由所差异，不管怎么样，我们这个电子账单发送程序时写出来了，也能发送出来了，我们再来仔细的想想，这个程序是否有问题？你看，你这是一个线程在运行，也就是你发送是单线程的， 那按照一封邮件发出去需要 0.02 秒（够小了，你还要到数据库中取数据呢）， 600 万封邮件需要…我算算（掰指头计算中…），恩，是 33 个小时，也就是一个整天都发送不完毕，今天发送不完毕，明天的账单又产生了，积累积累，激起甲方人员一堆抱怨，那怎么办？

　　好办，把 sendMail 修改为多线程，但是你只把 sendMail 修改为多线程还是有问题的呀，你看哦，产生第一封邮件对象，放到线程 1 中运行，还没有发送出去；线程 2 呢也也启动了，直接就把邮件对象 mail的收件人地址和称谓修改掉了，线程不安全了，好了，说到这里，你会说这有 N 多种解决办法，我们不多说，我们今天就说一种，使用原型模式来解决这个问题，使用对象的拷贝功能来解决这个问题，类图稍作修改，如下图：

　　增加了一个 Cloneable 接口， Mail 实现了这个接口， 在 Mail 类中重写了 clone()方法， 我们来看 Mail类的改变：

 package com.pattern.prototype;

 public class Mail implements Cloneable {
     // 收件人
     private String receiver;
     // 邮件名称
     private String subject;
     // 称谓
     private String appellation;
     // 邮件内容
     private String context;
     // 邮件的尾部，一般都是加上"XXX版权所有"等信息
     private String tail;

     // 构造函数
     public Mail(AdvTemplate advTemplate) {
         this.context = advTemplate.getAdvContext();
         this.subject = advTemplate.getAdvSubject();
     }

     public String getReceiver() {
         return receiver;
     }

     public void setReceiver(String receiver) {
         this.receiver = receiver;
     }

     public String getSubject() {
         return subject;
     }

     public void setSubject(String subject) {
         this.subject = subject;
     }

     public String getAppellation() {
         return appellation;
     }

     public void setAppellation(String appellation) {
         this.appellation = appellation;
     }

     public String getContext() {
         return context;
     }

     public void setContext(String context) {
         this.context = context;
     }

     public String getTail() {
         return tail;
     }

     public void setTail(String tail) {
         this.tail = tail;
     }

     public Mail clone(){
         Mail mail = null;
         try {
             mail = (Mail) super.clone();
         } catch (Exception e) {
             e.printStackTrace();
         }
         return mail;
     }

 }

　　就做了一点修改，大家可能看着这个类有点奇怪，先保留你的好奇，我们继续讲下去，我会给你解答的，看 Client 类的改变：

 package com.pattern.prototype;

 import java.util.Random;

 public class Client {
     // 发送账单的数量，这个是值是从数据库中获得
     private static int MAX_COUNT = 6;

     public static void main(String[] args) {
         // 模拟发送邮件
         int i = 0;
         // 把模版定义出来，这个是从数据库中获得
         Mail mail = new Mail(new AdvTemplate());
         mail.setTail("XX银行版权所有");
         while(i < MAX_COUNT){
             // 以下是每封邮件不同的地方
             Mail cloneMail = mail.clone();
             cloneMail.setAppellation(getRandString(5) + "先生（女士）");
             cloneMail.setReceiver(getRandString(5) + "@" + getRandString(8) + ".com");
             // 然后发送邮件
             sendMail(mail);
             i ++;
         }
     }

     // 发送邮件
     public static void sendMail(Mail mail){
         System.out.println("标题：" + mail.getSubject() + "\t收件人："
                 + mail.getReceiver() + "\t...发送成功");
     }

     // 获得指定长度的随机字符串
     public static String getRandString(int maxLength){
         String source = "abcdefghijklmnopqrskuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         Random rand = new Random();
         for(int i=0;i<maxLength;i++){
             sb.append(source.charAt(rand.nextInt(source.length())));
         }
         return sb.toString();
     }
 }

　　执行结果不变，一样完成了电子广告信的发送功能，而且 sendMail 即使是多线程也没有关系，看到mail.clone()这个方法了吗？把对象拷贝一份，产生一个新的对象，和原有对象一样，然后再修改细节的数据，如设置称谓，设置收件人地址等等。这种不通过 new 关键字来产生一个对象，而是通过对象拷贝来实现的模式就叫做原型模式，其通用类图如下：

　　这个模式的核心是一个 clone 方法，通过这个方法进行对象的拷贝，Java 提供了一个 Cloneable 接口来标示这个对象是可拷贝的，为什么说是“标示”呢？翻开 JDK 的帮助看看 Cloneable 是一个方法都没有的，这个接口只是一个标记作用，在 JVM 中具有这个标记的对象才有可能被拷贝，那怎么才能从“有可能被拷贝”转换为“可以被拷贝”呢？方法是覆盖 clone()方法，是的，你没有看错是重写 clone()方法，看看我们上面 Mail 类：

　　　　

　　在 clone()方法上增加了一个注解@Override， 没有继承一个类为什么可以重写呢？在 Java 中所有类的老祖宗是谁？对嘛，Object 类，每个类默认都是继承了这个类，所以这个用上重写是非常正确的。

　　原型模式虽然很简单，但是在 Java 中使用原型模式也就是 clone 方法还是有一些注意事项的，我们通过几个例子一个一个解说（如果你对 Java 不是很感冒的话，可以跳开以下部分）。

　　对象拷贝时，类的构造函数是不会被执行的。 一个实现了 Cloneable 并重写了 clone 方法的类 A,有一个无参构造或有参构造 B，通过 new 关键字产生了一个对象 S，再然后通过 S.clone()方式产生了一个新的对象 T，那么在对象拷贝时构造函数 B 是不会被执行的，我们来写一小段程序来说明这个问题：

 package com.pattern.prototype.clone_advance0;

 public class Thing implements Cloneable {

     public Thing(){
         System.out.println("构造函数被执行了...");
     }

     public Thing clone(){
         Thing thing = null;
         try {
             thing = (Thing) super.clone();
         } catch (CloneNotSupportedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         return thing;
     }

 }

 // 然后我们再来写一个 Client 类，进行对象的拷贝：

 package com.pattern.prototype.clone_advance0;

 public class Client {

     public static void main(String[] args) {
         // 产生一个对象
         Thing thing = new Thing();

         // 拷贝一个对象
         Thing cloneThing = thing.clone();
         System.out.println(cloneThing);
     }

 }

　　对象拷贝时确实构造函数没有被执行，这个从原理来讲也是可以讲得通的，Object 类的 clone 方法的原理是从内存中（具体的说就是堆内存）以二进制流的方式进行拷贝，重新分配一个内存块，那构造函数没有被执行也是非常正常的了。

　　浅拷贝和深拷贝问题。 在解释什么是浅拷贝什么是拷贝前，我们先来看个例子：

 package com.pattern.prototype.clone_advance1;

 import java.util.ArrayList;

 public class Thing implements Cloneable {

     // 定义一个私有变量
     private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();

     public Thing clone(){
         Thing thing = null;
         try {
             thing = (Thing) super.clone();
         } catch (CloneNotSupportedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         return thing;
     }

     // 设置ArrayList的值
     public void setValue(String value){
         this.arrayList.add(value);
     }

     // 取得arrayList的值
     public ArrayList<String> getValue(){
         return this.arrayList;
     }

 }

　　在 Thing 类中增加一个私有变量 arrayList，类型为 ArrayList,然后通过 setValue 和 getValue 分别进行设置和取值，我们来看场景类：

 package com.pattern.prototype.clone_advance1;

 public class Client {

     public static void main(String[] args) {
         // 产生一个对象
         Thing thing = new Thing();
         // 设置一个值
         thing.setValue("张三");

         // 拷贝一个对象
         Thing cloneThing = thing.clone();
         cloneThing.setValue("李四");

         System.out.println(thing.getValue());
     }

 }

　　大家猜想一下运行结果应该是什么？是就一个“张三”吗？

　　怎么会有李四呢？是因为 Java 做了一个偷懒的拷贝动作， Object 类提供的方法 clone 只是拷贝本对象，其对象内部的数组、引用对象等都不拷贝，还是指向原生对象的内部元素地址，这种拷贝就叫做浅拷贝，确实是非常浅，两个对象共享了一个私有变量，你改我改大家都能改，是一个种非常不安全的方式，在实际项目中使用还是比较少的。你可能会比较奇怪，为什么在 Mail 那个类中就可以使用使用 String 类型，而不会产生由浅拷贝带来的问题呢？内部的数组和引用对象才不拷贝，其他的原始类型比如int,long,String(Java 就希望你把 String 认为是基本类型， String 是没有 clone 方法的)等都会被拷贝的。

　　浅拷贝是有风险的，那怎么才能深入的拷贝呢？我们修改一下我们的程序：

 package com.pattern.prototype.clone_advance3;

 import java.util.ArrayList;

 public class Thing implements Cloneable {

     // 定义一个私有变量
     private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();

     @SuppressWarnings("unchecked")
     public Thing clone(){
         Thing thing = null;
         try {
             thing = (Thing) super.clone();
             thing.arrayList = (ArrayList<String>) this.arrayList.clone();
         } catch (CloneNotSupportedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         return thing;
     }

 }

　　仅仅增加了一行部分，Client 类没有任何改变。

　　这个实现了完全的拷贝，两个对象之间没有任何的瓜葛了，你修改你的，我修改我的，不相互影响，这种拷贝就叫做深拷贝，深拷贝还有一种实现方式就是通过自己写二进制流来操作对象，然后实现对象的深拷贝，这个大家有时间自己实现一下。

　　深拷贝和浅拷贝建议不要混合使用，一个类中某些引用使用深拷贝某些引用使用浅拷贝，这是一种非常差的设计，特别是是在涉及到类的继承，父类有几个引用的情况就非常的复杂，建议的方案深拷贝和浅拷贝分开实现。

　　Clone 与 final 两对冤家。 对象的 clone 与对象内的 final 属性是由冲突的， 我们举例来说明这个问题:

 package com.pattern.prototype.clone_advance3;

 import java.util.ArrayList;

 public class Thing implements Cloneable {

     // 定义一个私有变量
     private final ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();

     @SuppressWarnings("unchecked")
     public Thing clone(){
         Thing thing = null;
         try {
             thing = (Thing) super.clone();
             thing.arrayList = (ArrayList<String>) this.arrayList.clone();
         } catch (CloneNotSupportedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         return thing;
     }

 }

　　上面的代码仅仅增加了一个 final 关键字，然后编译器就报错误，正常呀，final 类型你还想重写设值呀！完蛋了，你要实现深拷贝的梦想在 final关键字的威胁下破灭了,路总是有的，我们来想想怎么修改这个方法：删除掉 final 关键字，这是最便捷最安全最快速的方式，你要使用 clone 方法就在类的成员变量上不要增加 final 关键字。

　　原型模式适合在什么场景使用？一是类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等；二是通过 new 产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式；三是一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。在实际项目中，原型模式很少单独出现，一般是和工厂方法模式一起出现，通过 clone的方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。

　　原型模式先产生出一个包含大量共有信息的类，然后可以拷贝出副本，修正细节信息，建立了一个完整的个性对象。不知道大家有没有看过施瓦辛格演的《第六日》这个电影，电影的主线也就是一个人被复制，然后正本和副本对掐，我们今天讲的原型模式也就是由一个正本可以创建多个副本的概念，可以这样理解一个对象的产生可以不由零开始，直接从一个已经具备一定雏形的对象克隆，然后再修改为一个生产需要的对象。也就是说，产生一个人，可以不从 1 岁长到 2 岁，再 3 岁…，也可以直接找一个人，从其身上获得 DNS，然后克隆一个，直接修改一下就是 3 岁的了！，我们讲的原型模式也就是这样的功能，是紧跟时代潮流的。