Java设计模式：Prototype(原型)模式

概念定义

使用原型实例指定待创建对象的种类，并通过拷贝该原型来创建新的对象。Prototype模式允许一个原型对象克隆(复制)出多个与其相同的对象，而无需知道任何如何创建的细节。

应用场景

• 对象的创建过程较为复杂且需要频繁创建
• 期望根据现有的实例来生成新的实例，例如：
  • 对象种类繁多而无法整合到一个类时
  • 难以通过指定类名生成实例时
  • 希望解耦框架与生成的实例时

在实际应用中，Prototype模式很少单独出现。经常与其他模式混用。

原型实现

所有Java类都继承自java.lang.Object，而Object类提供clone()方法来克隆对象。因此，Java类实现Cloneable接口并重写clone()方法后，即可实现Prototype模式。

实现Prototype模式的示例代码如下：

// 原型类(也可定义为interface Prototype extends Cloneable)
abstract class Prototype implements Cloneable {
    private String name;
    public void setName(String name) {this.name = name;}
    public String getName() {return this.name;}

    public abstract void doSomething();

    @Override
    public Object clone() { // clone()方法用public修饰
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone(); // 调用父类clone()方法
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return object;
    }
}

// 具体实现类(继承自Prototype类自动具有克隆功能)
class ConcretePrototype extends Prototype{
    public ConcretePrototype() { setName("ConcretePrototype"); }

    @Override
    public void doSomething() { System.out.println("I'll clone myself!"); }
}

public class PrototypeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ConcretePrototype cp = new ConcretePrototype();
        cp.doSomething();

        for(int i=0; i< 5; i++){
            ConcretePrototype cloned = (ConcretePrototype)cp.clone();
            System.out.println("I'm cloned by " + cloned.getName());
        }
    }
}

执行后输出如下：

I'll clone myself!
I'm cloned by ConcretePrototype
I'm cloned by ConcretePrototype
I'm cloned by ConcretePrototype
I'm cloned by ConcretePrototype
I'm cloned by ConcretePrototype

模式优缺点

Prototype模式的优点如下：

• 根据客户端要求实现运行时动态创建对象，客户端不需要知道对象的创建细节，便于代码的维护和扩展。
• 当对象的创建较为复杂或重复创建大量相似对象时，可简化对象创建，且性能比直接new对象更高(new会自动调用构造链中的所有构造方法，但clone不会调用任何类构造方法)。
• Prototype模式类似工厂模式，但没有工厂模式中的抽象工厂和具体工厂的层级关系，代码结构更清晰和简单。

缺点如下：

• 需要为每个类实现Cloneable接口并重写clone()方法，改造已有类时必须修改其源码，违背"开闭原则"。
• 单例模式与工厂模式、Prototype模式是冲突的，尽量不要混用。
• 在实现深拷贝(深克隆)时需要编写较为复杂的代码。

注意事项

clone()方法只拷贝对象中的基本数据类型，而不会拷贝数组、容器对象、引用对象等。若要实现深拷贝，必须将Prototype模式中的数组、容器对象、引用对象等另行拷贝。

例如，深拷贝一个对象时，该对象必须实现Cloneable接口并重写clone()方法，并在clone()方法内部将该对象引用的其他对象也克隆一份。同理，被引用的对象也要做同样的处理。

注意，Boolean、Byte、Character、Class、Double、Float、Integer、Long、Short、String以及大部分的Exception的子类均为不可变类，其对象没有必要实现深拷贝。此外，大部分的Java容器类都已实现克隆功能。

相较而言，clone()方法更适合数组深拷贝。但需要注意以下两点：

(1) 基本类型的一维数组可通过诸如(int[])data.clone()的形式克隆，而基本类型的"二维数组"(实际上是类型诸如int[]的一维数组)需要按维克隆。例如：

public static int[][] twoDimensionArrayClone (int[][] tdArray){
    int[][] copy = tdArray.clone();
    for (int i = 0; i < tdArray.length; i++) {
        copy[i] = tdArray[i].clone();
    }
    return copy;
}

(2) 当数组元素为普通Java对象时，克隆数组后还要克隆数组中包含的对象。以下示例详细展示了数组对象的不同浅拷贝和深拷贝方式：

class Person implements Cloneable {
    public String name;
    public Person(String name) {this.name = name;}

    @Override
    public Object clone() {
        Object object = null;
        try {
            object = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return object;
    }
}

public class ArrayPrototype {
    public static void main(String[] args) {
        Person[] origin = new Person[] { new Person("Mike"), new Person("Jack"), new Person("Jason") };
        Person[] copyOf = Arrays.copyOf(origin, origin.length); // 浅拷贝(内部调用System.arraycopy，返回新数组)
        Person[] arrayCopy = new Person[origin.length]; // 浅拷贝(可拷贝部分数组)
        System.arraycopy(origin, 0, arrayCopy, 0, origin.length);
        Person[] clonedCopy = origin.clone(); // 浅拷贝
        System.out.println("origin=copyOf=arrayCopy=clonedCopy=" +
                (origin[0] == copyOf[0] && copyOf[1] == arrayCopy[1] && arrayCopy[2] == clonedCopy[2]));
        clonedCopy[0].name = "Lily";
        System.out.println("Shallow Person[0]: " + origin[0].name + " -> " + clonedCopy[0].name);

        Person[] deepCopy = new Person[origin.length]; // 深拷贝
        for(int i = 0; i < origin.length; i++) { deepCopy[i] = (Person) origin[i].clone(); }
        deepCopy[1].name = "Lily";
        System.out.println("Deep Person[1]: " + origin[1].name + " -> " + clonedCopy[1].name);
        Person[] deepCopy2 = Arrays.stream(origin).map(Person::clone).toArray(Person[]::new); // 深拷贝
        deepCopy2[2].name = "Lucy";
        System.out.println("Deep Person[2]: " + origin[2].name + " -> " + deepCopy2[2].name);
        //origin=copyOf=arrayCopy=clonedCopy=true
        //Shallow Person[0]: Lily -> Lily
        //Deep Person[1]: Jack -> Jack
        //Deep Person[2]: Jason -> Lucy
    }
}

业界实践

• Action对象(Struts2)
• prototype创建的bean实例(Spring)