02. 23种经典设计模式-12-原型模式

旧城等待， 2024-04-17 14:49 88阅读 0赞

## 1. 原型模式 ##

*  原型模式(Prototype Pattern), 用于高性能地创建重复对象, 属于一种创建类模式.
 *  原型模式的核心: 高性能复制对象, 通过new对象,set/get属性复制方式性能开学较大

### 1.1 原型模式类图 ###

*  Prototype: 原型接口, 提供克隆方法.
 *  ConcretePrototype: 支持克隆的具体类，需要实现clone方法

![建造者扩展模式类图][format_png]

### 1.2 原型模式优点 ###

*  性能优良: 原型模式是在内存中，对二进制流的拷贝, 要比new一个对象性能要好很多.

### 1.3 原型模式缺点 ###

*  构造函数不会执行，因此使用原型模式时，需要通盘考虑
 *  默认原型拷贝只支持浅拷贝，对于深拷贝实现比较复杂，对于多层引用，需要层级递进重写clone方法。 否则会出现深拷贝与浅拷贝混合的情况
 *  借助于序列化方式实现深拷贝，性能会有所降低

### 1.4 原型模式适用场景 ###

*  资源优化: 当类初始化需要消耗非常多的资源(数据，硬件)时
 *  批量创建大量对象: 当需要批量创建大量的对象时，借助原型模式，可提高创建性能。如发送100w条短信
 *  一个对象多个修改者：当一个对象被多个对象引用时，那么可能会导致篡改数据问题

### 1.5 java原生支持原型模式 ###

*  java 中类若想支持克隆，还需要实现克隆接口Cloneable。 Cloneable 接口是一个空接口，只起到一个标识作用.
 *  java 中所有类都继承了基类Object, Object 提供了clone()方法, 用于支持对象复制.

### 1.6 浅拷贝和深拷贝 ###

java 中变量类型从在内存中的存储角度，可以分为基本类型和引用类型两种:

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">拷贝类型</th> 
   <th align="left">浅拷贝</th> 
   <th align="left">深拷贝</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">基本类型</td> 
   <td align="left">值传递</td> 
   <td align="left">值传递</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">引用类型</td> 
   <td align="left">引用地址拷贝</td> 
   <td align="left">引用地址指向的对象的值传递</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 1.7 java 的深拷贝方式 ###

*  java 的对象深拷贝方式有很多, 但比较高性能复制方式有原生支持的克隆方式和序列化方式, 因为这两种方式不会重新执行构造方法和set/get方法!!!
 *  这两种模式在处理static和final修饰的属性时, 有所不同. 按java语言特性, 对于static 和 final 属性本都应该是进行浅拷贝.

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">深拷贝方式</th> 
   <th align="left">static 属性</th> 
   <th align="left">final 属性</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">原型模式</td> 
   <td align="left">可在clone()中选择深拷贝或浅拷贝</td> 
   <td align="left">深拷贝</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">序列化方式</td> 
   <td align="left">深拷贝</td> 
   <td align="left">深拷贝</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 2. 原型模式-浅拷贝 ##

我们来通过克隆羊的例子来了解一下使用原型模式进行浅克隆.

### 2.1 克隆羊 ###

java 中若想类具备克隆能力，需要满足两个条件: 继承Cloneable 接口 和 重写clone()方法.

public class Sheep implements Cloneable{ 
        
        private String name;
        
        private String color;
    
        private Sheep parent;
        
        // 省略setter/getter/toString方法
        
            @Override
        protected Object clone() { 
    	    Sheep sheep = null;
            try { 
                sheep = (Sheep) super.clone();
            } catch (CloneNotSupportedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            return sheep;
        }
    }

### 2.2 测试用例 ###

@Test
    public void test1(){ 
        Sheep parent = new Sheep("Bonnie", "Black", null);
        Sheep dolly = new Sheep("Dolly", "White", parent);
    
        Sheep cloneDolly1 = (Sheep) dolly.clone();
        Sheep cloneDolly2 = (Sheep) dolly.clone();
        Sheep cloneDolly3 = (Sheep) dolly.clone();
    
        System.out.println("cloneDolly1:" + cloneDolly1);
        System.out.println("cloneDolly2:" + cloneDolly2);
        System.out.println("cloneDolly3:" + cloneDolly3);
        
        System.out.println("尝试修改一个父对象和一个子对象颜色:");
        dolly.getParent().setColor("Red");
        cloneDolly1.setColor("Red");
        System.out.println("cloneDolly1:" + cloneDolly1);
        System.out.println("cloneDolly2:" + cloneDolly2);
        System.out.println("cloneDolly3:" + cloneDolly3);
    }

### 2.3 测试输出 ###

观察控制台输出，可以得出以下结论:

*  cloneDolly\*的hashCode不同， 证明完成了对象的克隆
 *  cloneDolly\*的parent的hanshCode相同, 证明了clone()方法只实现了对属性的浅拷贝
 *  对任意克隆对象的parent进行属性修改，所有克隆对象属性全部进行了修改。证明了浅拷贝可能会出现数据篡改的问题.
 *  只对cloneDolly1进行了修改，只影响cloneDolly1，证明了克隆成功。

cloneDolly1:Sheep@233530418: { name:Dolly, color:White, parent:Sheep@683287027: { name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    cloneDolly2:Sheep@1766822961: { name:Dolly, color:White, parent:Sheep@683287027: { name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    cloneDolly3:Sheep@254413710: { name:Dolly, color:White, parent:Sheep@683287027: { name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    尝试修改一个父对象和一个子对象颜色:
    cloneDolly1:Sheep@233530418: { name:Dolly, color:Red, parent:Sheep@683287027: { name:Bonnie, color:Red, parent:null}}
    cloneDolly2:Sheep@1766822961: { name:Dolly, color:White, parent:Sheep@683287027: { name:Bonnie, color:Red, parent:null}}
    cloneDolly3:Sheep@254413710: { name:Dolly, color:White, parent:Sheep@683287027: { name:Bonnie, color:Red, parent:null}}

## 3. 原型模式-深拷贝 ##

实现深拷贝，只需要对类中引用属性进行单独的clone即可.不过需要注意两点:

*  引用的类型需要支持克隆能力, 即实现Clonable接口和重写clone()方法
 *  引用的类型也需要支持深拷贝，即假如引用的类型也包含引用类型属性时，也得像当前类一样处理.是一种类似递归地思想
 *  对于final 修饰的类型, 原型模式不能实现对final类型的属性进行深拷贝.也就是说对于final修饰的属性, 还是原来的属性
 *  对于static 修饰的属性，可以选择深拷贝还是浅拷贝.

### 3.1 修改Clone方法 ###

@Override
    protected Object clone() { 
        Sheep sheep = null;
        try { 
            // 浅克隆, 对基本属性进行复制, 对引用类型进行值传递
            sheep = (Sheep) super.clone();
    
            // 对引用类型， 单独进行克隆
            if (parent != null) { 
    			Sheep parent =  (Sheep) sheep.parent.clone();
    			sheep.setParent(parent);
    		}
        } catch (CloneNotSupportedException e) { 
            e.printStackTrace();
        }
        return sheep;
    }

### 3.2 控制台输出 ###

从控制台输出，可以发现:

*  所有克隆对象的parent均不相同
 *  无论修改克隆对象还是修改克隆对象的parent对象，都只会对修改的具体对象产生影响，不会对其它对象产生影响

cloneDolly1:Sheep@233530418: {name:Dolly, color:White, parent:Sheep@683287027: {name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    cloneDolly2:Sheep@1766822961: {name:Dolly, color:White, parent:Sheep@254413710: {name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    cloneDolly3:Sheep@1496724653: {name:Dolly, color:White, parent:Sheep@553264065: {name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    尝试修改一个父对象和一个子对象颜色:
    cloneDolly1:Sheep@233530418: {name:Dolly, color:Red, parent:Sheep@683287027: {name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    cloneDolly2:Sheep@1766822961: {name:Dolly, color:White, parent:Sheep@254413710: {name:Bonnie, color:Black, parent:null}}
    cloneDolly3:Sheep@1496724653: {name:Dolly, color:White, parent:Sheep@553264065: {name:Bonnie, color:Black, parent:null}}

## 4. 深拷贝扩展 ##

在java中，高性能的深拷贝方式，还可以借助于java序列化和反序列化机制。需要注意:

*  类需要实现序列化接口:java.io.Serializable
 *  类属性或级联属性均需要实现序列化接口:java.io.Serializable
 *  特别要注意: 对于static或final修饰的属性，也会做对象的深拷贝.

### 4.1 修改Sheep类 ###

只需实现序列化接口，指定一个序列化id即可.

public class Sheep implements Serializable { 
    
    	private static final long serialVersionUID = 8055926193604207579L;
    	
    	private String name;
        
        private String color;
    
        private Sheep parent;
        
        // 省略setter/getter/toString方法
        
    }

### 4.2 深拷贝工具类 ###

笔者将对象深拷贝抽象出一个工具类.

public class BeanCloneUtil { 
    
        /** 克隆对象 */
        public static <T> T cloneObject(T t) { 
    
            if(t == null) return null;
    
            if (!(t instanceof Serializable)) { 
                throw new RuntimeException("未实现Serializable接口，不支持深拷贝！");
            }
    
            ByteArrayOutputStream bos = null;
            ByteArrayInputStream bis = null;
            ObjectInputStream ois = null;
            ObjectOutputStream oos = null;
    
            try { 
    
                // 序列化
                bos = new ByteArrayOutputStream();
                oos = new ObjectOutputStream(bos);
                oos.writeObject(t);
    
                // 反序列化
                bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
                ois = new ObjectInputStream(bis);
    
                Object cloneInstance = ois.readObject();
    
                return (T) cloneInstance;
    
            } catch (Exception ex) { 
                ex.printStackTrace();
            }finally { 
                close(bos, bis, oos, ois);
            }
            return null;
        }
    
        /** 关闭对象 */
        private static void close(Closeable... closeables) { 
            for (Closeable closeable : closeables) { 
                if (closeable != null) { 
                    try { 
                        closeable.close();
                    } catch (IOException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    
    }

### 4.3 ###

测试用例同上，只需要将获取克隆的实例方法修改一下即可

Sheep cloneDolly1 = BeanCloneUtil.cloneObject(dolly);

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9yYXcuZ2l0aHVidXNlcmNvbnRlbnQuY29tL3pvbmdmMDUwNC9ibG9nLWltYWdlcy9tYXN0ZXIvaW1hZ2VzL2Rlc2lnbi1wYXJ0dGVybi9sZHAtcHJvdG90eXBlLTAxLnBuZw?x-oss-process=image/format,png