原型模式理解剖析以及应用

原型模式

原型模式是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
~~用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。~~
这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。
用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。

意图

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。

解决问题

在运行期建立和删除原型。

何时使用？

当一个系统应该独立于它的产品创建，构成和表示时。
当要实例化的类是在运行时刻指定时，例如，通过动态装载。
为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。
当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。

应用环境举例

资源优化场景。
类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等。
对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
性能和安全要求的场景。
通过 new 产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式。
一个对象多个修改者的场景。
一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。
在实际项目中，原型模式很少单独出现，一般是和工厂方法模式一起出现，通过 clone 的方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。

优点

性能提高。 Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。
逃避构造函数的约束。
可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份，并将其状态保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。

缺点

配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。
必须实现 Cloneable 接口。
clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。
当实现深克隆时，需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。

注意

与通过对一个类进行实例化来构造新对象不同的是，原型模式是通过拷贝一个现有对象生成新对象的。浅拷贝实现 Cloneable，重写，深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流。

类图 / 理解

抽象原型类：
规定了具体原型对象必须实现的接口。
具体原型类：
实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
访问类：
使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

浅克隆

创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。

//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
    Realizetype() {
        System.out.println("具体原型创建成功！");
    }

    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("具体原型复制成功！");
        return (Realizetype) super.clone();
    }
}

//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Realizetype obj1 = new Realizetype();
        Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
        System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
    }
}

深克隆

创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式，它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。
该类用 HashMap 保存多个复制的原型，Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。

用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型，并计算其面积。
分析：本实例中由于存在不同的图形类，例如，“圆”和“正方形”，它们计算面积的方法不一样，所以需要用一个原型管理器来管理它们，图 6 所示是其结构图。

实例

创建一个实现了 Cloneable 接口的抽象类。
Shape.java

public abstract class Shape implements Cloneable {
   
   private String id;
   protected String type;
   
   abstract void draw();
   
   public String getType(){
      return type;
   }
   
   public String getId() {
      return id;
   }
   
   public void setId(String id) {
      this.id = id;
   }
   
   public Object clone() {
      Object clone = null;
      try {
         clone = super.clone();
      } catch (CloneNotSupportedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return clone;
   }
}

创建扩展了上面抽象类的实体类。
Rectangle.java

public class Rectangle extends Shape {
 
   public Rectangle(){
     type = "Rectangle";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

Square.java

public class Square extends Shape {
 
   public Square(){
     type = "Square";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

Circle.java

public class Circle extends Shape {
 
   public Circle(){
     type = "Circle";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

创建一个类，从数据库获取实体类，并把它们存储在一个 Hashtable 中。
ShapeCache.java

import java.util.Hashtable;
 
public class ShapeCache {
    
   private static Hashtable<String, Shape> shapeMap = new Hashtable<String, Shape>();
 
   public static Shape getShape(String shapeId) {
      Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
      return (Shape) cachedShape.clone();
   }
 
   // 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状
   // shapeMap.put(shapeKey, shape);
   // 例如，我们要添加三种形状
   public static void loadCache() {
      Circle circle = new Circle();
      circle.setId("1");
      shapeMap.put(circle.getId(),circle);
 
      Square square = new Square();
      square.setId("2");
      shapeMap.put(square.getId(),square);
 
      Rectangle rectangle = new Rectangle();
      rectangle.setId("3");
      shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle);
   }
}

PrototypePatternDemo 使用 ShapeCache 类来获取存储在 Hashtable 中的形状的克隆。
PrototypePatternDemo.java

public class PrototypePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeCache.loadCache();
 
      Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());        
 
      Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());        
 
      Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());        
   }
}

洛玖随笔

【设计模式】Prototype Pattern 原型模式

原型模式

意图

解决问题

何时使用？

应用环境举例

优点

缺点

注意

类图 / 理解

实现

浅克隆

深克隆

扩展

实例

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