Java设计模式 —— 原型模式

7 原型模式

7.1 原型模式概述

Prototype Pattern：使用原型实例指定待创建对象的类型，并且通过复制这个原型来创建新的对象。

原型模式的工作原理：将一个原型对象传给创建者，该创建者通过请求原型对象复制自己来实现创建过程。

原型模式是一种”另类“的创建型模式，创建新对象（即克隆对象）的工厂就是原型类本身，工厂方法由复制原型对象的克隆方法实现。

原型模式结构图如下所示：

7.2 浅克隆与深克隆

根据复制原型对象的同时是否复制包含在原型对象中引用类型的成员变量，原型模式的克隆机制分为浅克隆和深克隆。

7.2.1 浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型（如boolean, char, byte, int, long, float, double 等基本数据类型），将复制一份值给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型（如数组，列表，集合等复杂数据类型），则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，即克隆对象和原型对象共享引用类型成员变量。

7.2.2 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。

7.3 原型模式实现

实现原型模式的关键在于如何实现克隆方法。

7.3.1 通用实现方法

通用的克隆实现方法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，同时将相关的参数传入新创建的对象中，保证克隆对象与原型对象的成员变量相同。

在通用的实现方法中，通过手写 clone() 方法来实现浅克隆与深克隆。对于引用类型的对象，如果通过赋值的方式实现复制 —— 浅克隆；如果通过创建一个全新的成员对象来实现复制 —— 深克隆。

// 抽象原型类
public abstract class Prototype {
  public abstract Prototype clone();
}

// 具体原型类
public class ConcretePrototype extends Prototype {
  private String attr;

  public void setAttr(String attr) {
    this.attr = attr;
  }

  public String getAttr() {
    return this.attr;
  }

  // 克隆方法
  public Prototype clone() {
    Prototype prototype = new ConcretePrototype();

    // 传入成员变量
    prototype.setAttr(this.attr);
    return prototype;
  }
}

客户端调用

Prototype prototype = new ConcretePrototype();
prototype.setAttr("Test");

Prototype copy = prototype.clone()

7.3.2 Java语言的浅克隆实现

在 Java 语言中，Object 类提供了一个 clone() 方法，可以将一个对象复制一份 —— 浅克隆。因此可以直接使用 Object 类提供的 clone() 方法来实现对象的浅克隆。

注意：能够实现克隆的 Java 类必须实现 Cloneable 接口，表示这个类支持被复制。如果一个类没有实现该接口，但调用了 clone() 方法，Java 编译器会抛出 CloneNotSupportException 异常。

public class Prototype implements Cloneable {
  private String attr;

  public void setAttr(String attr) {
    this.attr = attr;
  }

  public String getAttr() {
    return this.attr;
  }

  public Prototype clone() {
    Object obj = null;
    try {
      obj = super.clone();
    }
    catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }

    return (Prototype) obj;
  }
}

7.3.3 Java语言的深克隆实现

为了能够在复制对象的同时也能够复制引用类型成员变量，需要采样深克隆机制，在 Java 中可以通过序列化来实现深克隆。通过序列化实现的复制不仅可以复制对象本身，还可以复制其引用成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流中将其读出来，可以实现深克隆。

public class Prototype implements Serializable {
  private String attr;
  private List<String> list;

  public Prototype deepclone() throws IOException, ClassNotFoundException, OptionalDataException {
    // 将对象写入流中
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
    oos.write(this);

    // 从流中读取对象
    ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
    return (Prototype) ois.readObject();
  }
}

7.4 原型模式优/缺点

原型模式的优点主要如下：

• 简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例来提高新实例的创建效率
• 扩展性较好，在原型模式中可以设计抽象原型类，客户端可以针对抽象原型类编程，增加或减少具体原型类不会违背开闭原则

原型模式的缺点主要如下：

• 需要为每一个具体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原有代码，违背开闭原则
• 实现深克隆需要较为复杂的代码，而且对象之间存在多重的嵌套引用，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来毕竟麻烦