【设计模式——学习笔记】23种设计模式——原型模式Prototype（原理讲解+应用场景介绍+案例介绍+Java代码实现）

原型模式

介绍

• 原型模式指用通过拷贝原型实例创建新的实例，新实例和原型实例的属性完全一致
• 原型模式是一种创建型设计模式
• 工作原理是通过调用原型实例的 clone()方法来完成克隆，原型实例需要实现Cloneable接口，并重写clone()方法
• 需要为每个类开发一个克隆方法，这对全新的类来说不难，但对已有类进行改造时，需要修改其源代码，违背了ocp原则
• 实现深拷贝的时候可能需要比较复杂的代码

应用场景

在以下情况下，我们就不能根据new 类名()来生成实例，而是克隆现有实例来生成新实例

• 对象种类繁多，无法将它们整合到一个类中（在软件设计中，有时候我们需要创建一种类型的对象，但是该类型下有多个具体的变体，这些变体之间可能存在大量差异，无法将这些变体都封装到一个类中。这时候可以使用原型模式，将这些变体作为原型，通过对原型进行克隆来得到新的对象。这样既避免了创建过多的分类，又能够保持对象的个性化）
• 难以通过new来创建实例（有的实例非常复杂，想要创建一个一模一样的示例非常困难）
• 想解耦框架与生成的实例时（想要让生成实例的框架不依赖于具体的类。这时，不能指定类名来生成实例，而要事先“注册”一个“原型”实例，然后通过复制该实例来生成新的实例）

类图

• Prototype : 原型类，声明一个克隆自身的接口
• ConcretePrototype: 具体的原型类，实现克隆方法
• Client：调用原型对象的克隆方法，让一个原型对象克隆自身来创建一个属性一样的新对象

案例分析

克隆羊问题

现在有一只羊叫做tom，其属性为姓名: tom，年龄: 1，颜色：白色，请编写程序创建和 tom 属性完全相同的10只羊。

传统实现

package com.atguigu.prototype;

public class Sheep {
    private String name;
    private int age;
    private String color;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + "]";
    }


}
package com.atguigu.prototype;

public class Client {

   public static void main(String[] args) {
      // TODO Auto-generated method stub
      //传统的方法
      Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
      
      Sheep sheep2 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
      Sheep sheep3 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
      Sheep sheep4 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
      Sheep sheep5 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
      //....
      
      System.out.println(sheep);
      System.out.println(sheep2);
      System.out.println(sheep3);
      System.out.println(sheep4);
      System.out.println(sheep5);
      //...
   }

}

分析

【优点】

• 比较好理解，简单易操作

【缺点】

• 在创建新的对象时，需要获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低，不够灵活（原型对象的属性修改之后，如添加一个属性，需要往构造方法中添加参数）
• 总是需要重新初始化对象，而不能动态地获得对象运行时的状态

【改进】

• 使用原型模式：在Java中，Obiect类是所有类的根类，Object类提供了一个clone()方法，该方法可以将一个Java对象复制一份，但是需要实现clone的Java类必须要实现一个接口Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力

原型模式（浅拷贝）

package com.atguigu.prototype.improve;

/**
 * 继承Cloneable
 */
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private String address = "蒙古羊";
    /**
     * 是对象, 克隆是会如何处理
     */
    public Sheep friend;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + ", address=" + address + "]";
    }

    /**
     * 克隆该实例，使用默认的clone方法来完成
     *
     * @return
     */
    @Override
    protected Object clone() {
        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep) super.clone();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        return sheep;
    }

}
package com.atguigu.prototype.improve;

public class Client {

   public static void main(String[] args) {
      System.out.println("原型模式完成对象的创建");
      Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
      sheep.friend = new Sheep("jack", 2, "黑色");

      Sheep sheep2 = (Sheep)sheep.clone();
      Sheep sheep3 = (Sheep)sheep.clone();
      Sheep sheep4 = (Sheep)sheep.clone();
      Sheep sheep5 = (Sheep)sheep.clone();

      System.out.println("sheep2 =" + sheep2 + "sheep2.friend=" + sheep2.friend.hashCode());
      System.out.println("sheep3 =" + sheep3 + "sheep3.friend=" + sheep3.friend.hashCode());
      System.out.println("sheep4 =" + sheep4 + "sheep4.friend=" + sheep4.friend.hashCode());
      System.out.println("sheep5 =" + sheep5 + "sheep5.friend=" + sheep5.friend.hashCode());
   }

}
原型模式完成对象的创建
sheep2 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep2.friend=1554874502
sheep3 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep3.friend=1554874502
sheep4 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep4.friend=1554874502
sheep5 =Sheep [name=tom, age=1, color=白色, address=蒙古羊]sheep5.friend=1554874502

Process finished with exit code 0

【分析】

• 根据输出，可以看到其他sheep的friend和原型对象的friend是同一个对象（因为hashcode一样），原因：上面的代码是浅拷贝，浅拷贝并不会重新复制一个引用类型的对象出来，只是单纯将克隆对象的friend指向原型对象的friend对象，这样的坏处是，如果原型对象的friend发生了改变，克隆对象的friend也会改变，这样不能算是真正的克隆

原型模式（深拷贝）

package com.atguigu.prototype.deepclone;

import java.io.Serializable;

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {

   private static final long serialVersionUID = 1L;

   private String cloneName;

   private String cloneClass;

   /**
    * 构造器
    * @param cloneName
    * @param cloneClass
    */
   public DeepCloneableTarget(String cloneName, String cloneClass) {
      this.cloneName = cloneName;
      this.cloneClass = cloneClass;
   }

   /**
    * 因为该类的属性，都是String ， 因此我们这里使用默认的clone完成即可
    * @return
    * @throws CloneNotSupportedException
    */
   @Override
   protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
      return super.clone();
   }
}

package com.atguigu.prototype.deepclone;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable {
    /**
     * 基本数据类型
     */
    public String name;
    /**
     * 引用类型
     */
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    /**
     * 深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
     *
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        //这里完成对基本数据类型(属性)和String的克隆
        Object deep = super.clone();
        //对引用类型的属性，进行单独处理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType) deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget) deepCloneableTarget.clone();

        return deepProtoType;
    }

    /**
     * 深拷贝 - 方式2 通过对象的序列化实现 (推荐)
     * @return
     */
    public Object deepClone() {

        /// 创建流对象
        // 字节输出流
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        // 对象输出流
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;

        try {
            //序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            //当前这个对象以对象流的方式输出
            oos.writeObject(this);

            //反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepProtoType copyObj = (DeepProtoType) ois.readObject();

            return copyObj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            //关闭流
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }

    }

}

【客户端调用】

package com.atguigu.prototype.deepclone;

public class Client {

   public static void main(String[] args) throws Exception {
      // TODO Auto-generated method stub
      DeepProtoType p = new DeepProtoType();
      p.name = "宋江";
      p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");

      //方式1 完成深拷贝
      DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
      System.out.println("p.name=" + p.name + "; p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
      System.out.println("p2.name=" + p.name + "; p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());

      //方式2 完成深拷贝
      DeepProtoType p3 = (DeepProtoType) p.deepClone();
      System.out.println("p3.name=" + p.name + "; p3.deepCloneableTarget=" + p3.deepCloneableTarget.hashCode());

   }

}

【运行】

p.name=宋江; p.deepCloneableTarget=1554874502
p2.name=宋江; p2.deepCloneableTarget=1846274136
p3.name=宋江; p3.deepCloneableTarget=932172204

Process finished with exit code 0

【分析】
可以看到三个对象的deepCloneableTarget的hashCode不同，因此克隆成功

字符串修饰问题

【框架】

package framework;

import java.lang.Cloneable;

public interface Product extends Cloneable {
    /**
     * 实例使用
     * @param s
     */
    public abstract void use(String s);

    /**
     * 实例复制
     * @return
     */
    public abstract Product createClone();
}
package framework;

import java.util.*;

public class Manager {
    /**
     * 存储实例名及实例
     */
    private HashMap showcase = new HashMap();

    /**
     * 注册示例
     * @param name
     * @param proto
     */
    public void register(String name, Product proto) {
        showcase.put(name, proto);
    }

    /**
     * 根据实例名称使用实例
     * @param protoname
     * @return
     */
    public Product create(String protoname) {
        Product p = (Product) showcase.get(protoname);
        return p.createClone();
    }
}

【实现类】

import framework.*;

/**
 * use 方法的作用是将字符串用双引号括起来显示，并在字符串下面加上下划线。例如，当 ulchar 保存的字符为'~' 方法接收到的字符串为Hello时，显示结果如下
 *
 * "Hellor"
 *  ~~~~~~
 */
public class UnderlinePen implements Product {
    private char ulchar;

    public UnderlinePen(char ulchar) {
        this.ulchar = ulchar;
    }

    public void use(String s) {
        int length = s.getBytes().length;
        System.out.println("\"" + s + "\"");
        System.out.print(" ");
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            System.out.print(ulchar);
        }
        System.out.println("");
    }

    public Product createClone() {
        Product p = null;
        try {
            p = (Product) clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return p;
    }
}

import framework.*;

/**
 * decochar字段中保存的是像装饰方框那样的环绕着字符串的字符。use方法会使用decochar字段中保存的字符把要显示的字符串框起来。
 * 例如，当decochar 中保存的字符为'*'，use方法接收到的字符串为 Hello 的时候，显示结果如下
 * <p>
 * *******
 * *Hello*
 * *******
 */
public class MessageBox implements Product {
    private char decochar;

    public MessageBox(char decochar) {
        this.decochar = decochar;
    }

    public void use(String s) {
        int length = s.getBytes().length;
        for (int i = 0; i < length + 4; i++) {
            System.out.print(decochar);
        }
        System.out.println("");
        System.out.println(decochar + " " + s + " " + decochar);
        for (int i = 0; i < length + 4; i++) {
            System.out.print(decochar);
        }
        System.out.println("");
    }

    public Product createClone() {
        Product p = null;
        try {
            p = (Product) clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return p;
    }
}

【主类】

import framework.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 准备
        Manager manager = new Manager();
        UnderlinePen upen = new UnderlinePen('~');
        MessageBox mbox = new MessageBox('*');
        MessageBox sbox = new MessageBox('/');
        manager.register("strong message", upen);
        manager.register("warning box", mbox);
        manager.register("slash box", sbox);

        // 生成
        Product p1 = manager.create("strong message");
        p1.use("Hello, world.");
        System.out.println();
        Product p2 = manager.create("warning box");
        p2.use("Hello, world.");
        System.out.println();
        Product p3 = manager.create("slash box");
        p3.use("Hello, world.");
    }
}
"Hello, world."
 ~~~~~~~~~~~~~

*****************
* Hello, world. *
*****************

/
/ Hello, world. /
/

Process finished with exit code 0

分析

对象种类繁多，无法将它们整合到一个类中时

在示例程序中，一共出现了如下3种样式。

• 使用’~'为字符串添加下划线
• 使用’*'为字符串添加边框
• 使用’/'为字符串添加边框

本例比较简单，只生成了3种样式，不过无论多少种样式都可以生成。但是如果将每种样式都编写为一个类，类的数量将会非常庞大，源代码的管理也会变得非常困难。

想解耦框架与生成的实例时

在示例程序中，我们将复制(clone)实例的部分封装在framework包中了

在Manager类的create方法中，我们并没有使用类名，而是根据"strong message"和"slash box"等字符串（即实例名称）来生成相应的实例。与Java语言自带的生成实例的newSomething()方式相比，这种方式具有更好的通用性，且将框架从类名的束缚中解脱出来了

登场角色

• Prototype(原型)：定义用于复制现有实例来生成新实例的方法，如上面的Product
• ConcretePrototype(具体的原型)：负责实现复制现有实例并生成新实例的方法，如上面的MessageBox和UnderlinePen
• Client(使用者)：负责使用复制实例的方法生成新的实例，如上面的Manager

Spring源码分析

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
   xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
   xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"
   xmlns:util="http://www.springframework.org/schema/util"
   xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
   xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd
      http://www.springframework.org/schema/util http://www.springframework.org/schema/util/spring-util-4.0.xsd
      http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context-4.0.xsd">


 <!-- 这里我们的 scope="prototype" 即 原型模式来创建 -->
 <bean id="id01" class="com.atguigu.spring.bean.Monster" 
   scope="prototype"/>
   
</beans>

scope=“prototype”：使用原型模式

package com.atguigu.spring.bean;

/**
 * 注释
 * @author Administrator
 *
 */
public class Monster {

   private Integer id = 10 ;
   private String nickname = "牛魔王";
   private String skill = "芭蕉扇";
   public Monster() {
      
      System.out.println("monster 创建..");
   }
   public Monster(Integer id, String nickname, String skill) {
      //System.out.println("Integer id, String nickname, String skill被调用");
      this.id = id;
      this.nickname = nickname;
      this.skill = skill;
   }
   
   public Monster( String nickname, String skill,Integer id) {
      
      this.id = id;
      this.nickname = nickname;
      this.skill = skill;
   }
   public Integer getId() {
      return id;
   }
   public void setId(Integer id) {
      this.id = id;
   }
   public String getNickname() {
      return nickname;
   }
   public void setNickname(String nickname) {
      this.nickname = nickname;
   }
   public String getSkill() {
      return skill;
   }
   public void setSkill(String skill) {
      this.skill = skill;
   }
   @Override
   public String toString() {
      return "Monster [id=" + id + ", nickname=" + nickname + ", skill="
            + skill + "]";
   }
   
}

package com.atguigu.spring.test;

import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;

public class ProtoType {

   public static void main(String[] args) {
      // TODO Auto-generated method stub
      ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
      // 获取monster[通过id获取monster]
      Object bean = applicationContext.getBean("id01");
      System.out.println("bean" + bean); // 输出 "牛魔王" .....
      
      Object bean2 = applicationContext.getBean("id01");
      System.out.println("bean2" + bean2); //输出 "牛魔王" .....
      System.out.println(bean == bean2); // false，并不是同一个对象，只是属性相同

   }

}

【运行】

monster 创建..
beanMonster [id=10, nickname=牛魔王, skill=芭蕉扇]
monster 创建..
bean2Monster [id=10, nickname=牛魔王, skill=芭蕉扇]
false

Process finished with exit code 0

浅拷贝和深拷贝

浅拷贝

• 对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象
• 对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值 (内存地址)复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值
• sheep = (Sheep) super.clone()这种方式就是浅拷贝

深拷贝

• 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值
• 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象

【实现方式】

• 重写clone方法来实现深拷贝（缺点：麻烦，每个子对象都需要调用克隆方法重新赋值）
• 通过对象序列化实现深拷贝（缺点：速度慢，如果调用拷贝的次数多，不要使用这种方式）

深拷贝工具类

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;


public class DeepCloneUtil {
   
   public static Object deepClone(Object srcObject){
      ByteArrayOutputStream bos = null;
      ObjectOutputStream oos = null;
      ByteArrayInputStream bis = null;
      ObjectInputStream ois = null;
      Object result = null;
      try {
         bos = new ByteArrayOutputStream();
         oos = new ObjectOutputStream(bos);
         oos.writeObject(srcObject);
         bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
         ois = new ObjectInputStream(bis);
         result = ois.readObject();
      } catch (Exception e) {
         e.printStackTrace();
      } finally {
         try {
            bos.close();
            oos.close();
            bis.close();
            ois.close();
         } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
         }
      }
      return result;
   }

}

使用方式

A a = new A();
A a1 = (A)DeepCloneUtil.deepClone(a);

clone方法与Clonable接口

• Object中定义了clone()方法，如果类实现了Cloneable接口，就可以调用clone()来进行实例复制；否则调用就会报CloneNotSupportedException异常
• Cloneable接口中并没有声明任何方法。它只是被用来标记“可以使用clone方法进行复制”的，称为标记接口(marker interface)
• clone 方法只会进行复制，并不会调用被复制实例的构造函数。此外，对于在生成实例时需要进行特殊的初始化处理的类，需要自已去实现 clone 方法，在其内部进行这些初始化处理

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文章说明

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