设计模式之 原型模式详解（clone方法源码的简单剖析）

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原型模式算是JAVA中最简单的设计模式了，原因是因为它已经被提供了语言级的支持，但是如果提到它的实现原理，又是最复杂的一个设计模式。

下面我们先来看看这个又简单又复杂的设计模式的定义。

定义：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。

                定义比较简单，总结一下是通过实例指定种类，通过拷贝创建对象。

在JAVA语言中使用原型模式是非常简单的，这是因为Object类当中提供了一个本地方法clone，而JAVA中的任何类只要实现了Cloneable标识接口，就可以使用clone方法来进行对象的拷贝。

我们写一个简单的实例来测试一下，很简单。

package com.prototype;

public class Prototype implements Cloneable {

    private int x;
    private int y;
    private int z;

    public Prototype() {
        this.x = 2;
        this.y = 3;
        this.z = 4;
    }

    public void change() {
        this.x = 9;
        this.y = 8;
        this.z = 7;
    }

    public Prototype clone() {
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException exception) {
            throw new RuntimeException(exception);
        }
        return (Prototype) object;
    }

    public String toString() {
        return "[" + x + "," + y + "," + z + "]";
    }

    public static void main(String[] args) {
        Prototype prototype1 = new Prototype();
        prototype1.change();
        System.out.println(prototype1);
        Prototype prototype2 = prototype1.clone();
        System.out.println(prototype2);
    }

}

输入结果：

[9,8,7]
[9,8,7]

从输出结果可以看出来，clone方法将prototype1复制了一个，然后赋给了prototype2，这就像复制粘贴一样。值得注意的是，在使用Object.clone()方法去拷贝一个对象时，构造方法是不被执行的，否则prototype2实例中x，y，z的值应该为2，3，4才对，如果你觉得不够直观，可以在构造方法里写一个输出语句试试。

从原型模式的使用方式不难推断出，原型模式常使用于以下场景：

 1、对象的创建非常复杂，可以使用原型模式快捷的创建对象。

               2、在运行过程中不知道对象的具体类型，可使用原型模式创建一个相同类型的对象，或者在运行过程中动态的获取到一个对象的状态。

对于clone方法，它执行的是浅拷贝，也就是说如果是引用类型的属性，则它不会进行拷贝，而是只拷贝引用。

看下面这个简单的测试，就能看出来了。

package com.prototype;

class Field{

    private int a;

    public int getA() {
        return a;
    }

    public void setA(int a) {
        this.a = a;
    }

}

public class ShallowPrototype implements Cloneable {

    private int x;
    private int y;
    private int z;
    private Field field;

    public ShallowPrototype() {
        this.x = 2;
        this.y = 3;
        this.z = 4;
        this.field = new Field();
        this.field.setA(5);
    }

    public Field getField() {
        return field;
    }

    public ShallowPrototype clone() {
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException exception) {
            throw new RuntimeException(exception);
        }
        return (ShallowPrototype) object;
    }

    public String toString() {
        return "[" + x + "," + y + "," + z + "," + field.getA() + "]";
    }

    public static void main(String[] args) {
        ShallowPrototype prototype1 = new ShallowPrototype();
        System.out.println(prototype1);
        System.out.println(prototype1.getField());
        ShallowPrototype prototype2 = prototype1.clone();
        System.out.println(prototype2);
        System.out.println(prototype2.getField());
    }

}

输入结果：

[2,3,4,5]
com.prototype.Field@de6ced
[2,3,4,5]
com.prototype.Field@de6ced

可以看到我们对ShallowPrototype拷贝以后，得到一个实例prototype2，不过当我们输出field属性时，发现它们是引用的同一个对象。这当然不是我们期望得到的结果，这种情况下，我们如果修改prototype1中field的属性a的值，则prototype2中的也会跟着改变。

然而如果要实现深度拷贝，则需要将实现了Cloneable接口并重写了clone方法的类中，所有的引用类型也全部实现Cloneable接口并重写clone方法，而且需要将引用类型的属性全部拷贝一遍。

下面是一个简单的深度拷贝的例子，由上面的例子更改得到。

package com.prototype;

class Field implements Cloneable{

    private int a;

    public int getA() {
        return a;
    }

    public void setA(int a) {
        this.a = a;
    }

    protected Field clone() {
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException exception) {
            throw new RuntimeException(exception);
        }
        return (Field) object;
    }

}

public class DeepPrototype implements Cloneable {

    private int x;
    private int y;
    private int z;
    private Field field;

    public DeepPrototype() {
        this.x = 2;
        this.y = 3;
        this.z = 4;
        this.field = new Field();
        this.field.setA(5);
    }

    public Field getField() {
        return field;
    }

    protected DeepPrototype clone() {
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone();
            ((DeepPrototype)object).field = this.field.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException exception) {
            throw new RuntimeException(exception);
        }
        return (DeepPrototype) object;
    }

    public String toString() {
        return "[" + x + "," + y + "," + z + "," + field.getA() + "]";
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeepPrototype prototype1 = new DeepPrototype();
        System.out.println(prototype1);
        System.out.println(prototype1.getField());
        DeepPrototype prototype2 = prototype1.clone();
        System.out.println(prototype2);
        System.out.println(prototype2.getField());
    }

}

输出结果：

[2,3,4,5]
com.prototype.Field@a90653
[2,3,4,5]
com.prototype.Field@de6ced

下面我们来看下原型模式的主要优点：

1、由于clone方法是由虚拟机直接复制内存块执行，所以在速度上比使用new的方式创建对象要快。

               2、可以基于原型，快速的创建一个对象，而无需知道创建的细节。
               3、可以在运行时动态的获取对象的类型以及状态，从而创建一个对象。

然而原型模式的缺点也是相当明显的，主要的缺点就是实现深度拷贝比较困难，需要很多额外的代码量。

不过实际当中我们使用原型模式时，也可以写一个基类实现Cloneable接口重写clone方法，然后让需要具有拷贝功能的子类继承自该类，这是一种节省代码量的常用方式。像上面的例子一样，如果一个类继承自Prototype，则会自动具有拷贝功能。

下面我们来看看虚拟机中本地方法Object.clone()的源代码，如下。

JVM_ENTRY(jobject, JVM_Clone(JNIEnv* env, jobject handle))
  JVMWrapper("JVM_Clone");
  Handle obj(THREAD, JNIHandles::resolve_non_null(handle));
  const KlassHandle klass (THREAD, obj->klass());
  JvmtiVMObjectAllocEventCollector oam;

#ifdef ASSERT
  // Just checking that the cloneable flag is set correct
  if (obj->is_javaArray()) {
    guarantee(klass->is_cloneable(), "all arrays are cloneable");
  } else {
    guarantee(obj->is_instance(), "should be instanceOop");
    bool cloneable = klass->is_subtype_of(SystemDictionary::Cloneable_klass());
    guarantee(cloneable == klass->is_cloneable(), "incorrect cloneable flag");
  }
#endif

  // Check if class of obj supports the Cloneable interface.
  // All arrays are considered to be cloneable (See JLS 20.1.5)
  if (!klass->is_cloneable()) {//这里检查了是否实现了Cloneable接口，如果没实现，会抛出异常CloneNotSupportException。
    ResourceMark rm(THREAD);
    THROW_MSG_0(vmSymbols::java_lang_CloneNotSupportedException(), klass->external_name());
  }

  // Make shallow object copy
  const int size = obj->size();//取对象大小
  oop new_obj = NULL;
  if (obj->is_javaArray()) {//如果是数组
    const int length = ((arrayOop)obj())->length();//取长度
    new_obj = CollectedHeap::array_allocate(klass, size, length, CHECK_NULL);//分配内存，写入元数据信息
  } else {
    new_obj = CollectedHeap::obj_allocate(klass, size, CHECK_NULL);//分配内存，写入元数据信息
  }
  // 4839641 (4840070): We must do an oop-atomic copy, because if another thread
  // is modifying a reference field in the clonee, a non-oop-atomic copy might
  // be suspended in the middle of copying the pointer and end up with parts
  // of two different pointers in the field.  Subsequent dereferences will crash.
  // 4846409: an oop-copy of objects with long or double fields or arrays of same
  // won't copy the longs/doubles atomically in 32-bit vm's, so we copy jlongs instead
  // of oops.  We know objects are aligned on a minimum of an jlong boundary.
  // The same is true of StubRoutines::object_copy and the various oop_copy
  // variants, and of the code generated by the inline_native_clone intrinsic.
  assert(MinObjAlignmentInBytes >= BytesPerLong, "objects misaligned");
  Copy::conjoint_jlongs_atomic((jlong*)obj(), (jlong*)new_obj,
                               (size_t)align_object_size(size) / HeapWordsPerLong);//这一步就是真正的COPY内存块了
  // Clear the header
  new_obj->init_mark();//初始化对象头，里面包含了Hashcode，GC信息，锁信息等，因为拷贝出的对象是一个全新的对象，所以这些信息需要初始化一下。

  // Store check (mark entire object and let gc sort it out)
  BarrierSet* bs = Universe::heap()->barrier_set();
  assert(bs->has_write_region_opt(), "Barrier set does not have write_region");
  bs->write_region(MemRegion((HeapWord*)new_obj, size));//write_region最终的实现在一个虚方法里，相当于JAVA的抽象方法，LZ没找到实现。暂不发表意见。

  // Caution: this involves a java upcall, so the clone should be
  // "gc-robust" by this stage.
  if (klass->has_finalizer()) {//如果有finalize方法，则需要注册一下。
    assert(obj->is_instance(), "should be instanceOop");
    new_obj = instanceKlass::register_finalizer(instanceOop(new_obj), CHECK_NULL);
  }

  return JNIHandles::make_local(env, oop(new_obj));//将内存对象转换成JAVA本地对象返回
JVM_END

虚拟机的源码比较复杂，而且完全没有相关文献和资料，所以LZ也只能简单的添加一些注释，特别是write_region这个方法，LZ没找到实现在哪里，LZ猜测这个方法的功能是设置对象的边界的，好让GC能够正确的回收内存，但由于没找到实现，所以不敢断言。

在上面的过程中调用了Copy对象的conjoint_jlongs_atomic方法，那个就是真正的复制实例数据的方法，LZ找到了这个方法的实现，给各位看一下。

void _Copy_conjoint_jlongs_atomic(jlong* from, jlong* to, size_t count) {
    if (from > to) {
      jlong *end = from + count;
      while (from < end)
        os::atomic_copy64(from++, to++);
    }
    else if (from < to) {
      jlong *end = from;
      from += count - 1;
      to   += count - 1;
      while (from >= end)
        os::atomic_copy64(from--, to--);
    }
  }

这是一个操作内存块的方法，其中atomic_copy64这个方法是用汇编语言写的，它确保了在64位的机子下也可以正确的进行内存块的拷贝操作。它的作用很简单，就是把from指针指向的内存的值赋给to指针指向的内存，也就是一个简单的拷贝操作。知道了atomic_copy64方法的作用，上面这个方法的逻辑就非常简单了。

由此可以看出，我们可以将clone方法想象成内存块的复制操作，它的速度比一般的创建对象操作要快。

原型模式的分析就到此结束了，对于虚拟机源码的研究，LZ一直在断断续续的继续着，等设计模式系列写完以后，LZ会写一些虚拟机以及虚拟机源码的相关内容，希望各位能继续支持吧。

感谢各位的收看。