【设计模式 - 4】之原型模式（Prototype）

1、模式简介

原型模式的定义：

　　通过复制一个现有的对象（原型）来得到一个相似的对象。

原型模式的UML图如下图所示：

　　从上图中可以看到，所有的对象实体类都是继承自一个Prototype的父类，而prototype类有一个可以复制对象的方法clone()，可以复制其任意子类。这样，所有Prototype类的子类在整个程序中只需要new一次，其他情况下只需要从这几个类中clone即可。

原型模式的适用场景：

• 当系统中需要重复的使用某一些类的对象时；
• 当这些对象的差别不是很大或完全相同时；
• 当一个类的对象必须在某几种状态之中时；
• 当系统需要对对象进行缓存时。

原型模式的优点：

• 克隆一般是在内存中以流的形式进行的，比创建一个对象速度快，因此原型模式可以提高系统的性能；
• 克隆对象的时候可以完全忽略类中的构造方法的访问权限，因此逃避构造函数的约束。

原型模式的缺点：

• 克隆并不是对所有的数据类型都适用，有些内部类（如ArrayList）是不支持克隆的；
• 克隆会忽略构造函数的约束，因此对于一些单例的类也会生成克隆对象，容易导致系统错误。

2、案例代码

需求：

　　有三种形状圆形（Circle）、矩形（Rectangle）和三角形（Triangle）。多次调用这些形状排成一个队列集合。

分析：

　　我们可以把这个题目中的几个逻辑想象成如下图所示的关系：

　　我们让圆形（Circle）、矩形（Rectangle）和三角形（Triangle）三种图形继承Shape父类，然后在缓存ShapeCache类中的HashMap中分别缓存三种形状，当主函数中需要某种形状的时候，我们就从缓存中克隆一个使用。

说明：

　　在JAVA中有一个Cloneable接口，是专门用来实现原型模式的。只需要让一个类实现这个接口，重写Object类的clone()方法，就可以方便的实现原型模式了。

代码：

1）  原型父类Shape：

public class Shape implements Cloneable {
            protected String type;

            @Override
            protected Object clone() {
                 Shape shape = null;
                 try {
                       shape = (Shape) super.clone();
                  }catch (CloneNotSupportedException e) {
                       e.printStackTrace();
                 }
                 return shape;
            }

            public void introduce() {
                 System.out.println("This is a " + type);
            }
}

2）  Shape的子类（以Circle类为例）：

public class Circle extends Shape {

            public Circle() {
                 super.type = "Circle";
            }
}

3）  缓存类ShapeCache：

public class ShapeCache {
            private Map<String, Shape> shapes;

            public ShapeCache() {
                 loadCache();
            }

            private void loadCache() {
                  shapes = new HashMap<>();
                 shapes.put("circle", new Circle());
                 shapes.put("rectangle", new Rectangle());
                 shapes.put("triangle", new Triangle());
            }

            public Shape getShape(String id) {
                 Shape shape = shapes.get(id);
                 return (Shape) shape.clone();
            }
}

4）  测试类Test：

public class Test {
            public static void main(String[] args) {
                 List<Shape> shapeList = new ArrayList<>();

                  ShapeCachecache = new ShapeCache();
                 shapeList.add(cache.getShape("triangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("circle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("rectangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("circle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("rectangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("triangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("rectangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("circle"));

                 for (Shape shape : shapeList) {
                       shape.introduce();
                 }
            }
}

5）  运行结果如下图所示：

3、扩展

　　上面说过，JAVA中为我们提供了一个Cloneable接口，只有实现了这个接口之后，重写Object类中的clone()方法才有效，否则会报CloneNotSupportedException异常。

　　使用原型模式复制对象时不会调用类的构造方法，因为复制出来的对象是原型对象复制粘贴出来的，是直接在内存中复制数据，因此不会调用到类的构造方法，甚至连访问权限都对原型模式无效，这一点在编程时需要特别注意。

　　Object类的clone()方法只能拷贝对象中的8种基本数据类型，对于数组、容器、引用对象等都不会拷贝，这种现象被成为浅拷贝。与浅拷贝对应的是深拷贝，即在对对象进行浅拷贝之后，将对象中的数组、容器、引用对象单独进行拷贝。

　　最后贴出原型模式的GitHub地址：【GitHub - Prototype】。