前言

目錄

• 原型模式簡介

• 原型模式的應用場景

• 原型模式的結構與實現
  

• 原型模式的優缺點

• 原型模式的應用實例

• 思維導圖

• 原型模式在JDK源碼中的應用

原型模式簡介

用一個已經創建的實例作為原型，通過復制該原型對象來創建一個和原型相同或相似的新對象。原型實例指定了要創建的對象的種類。用這種方式創建對象非常高效，根本無須知道對象創建的細節。例如，Windows 操作系統的安裝通常較耗時，如果復制就快了很多。

原型模式的應用場景

原型模式通常適用于以下場景。

• 對象之間相同或相似，即只是個別的幾個屬性不同的時候。

• 創建對象成本較大，例如初始化時間長，占用CPU太多，或者占用網絡資源太多等，需要優化資源。

• 創建一個對象需要繁瑣的數據準備或訪問權限等，需要提高性能或者提高安全性。

• 系統中大量使用該類對象，且各個調用者都需要給它的屬性重新賦值。

原型模式的結構與實現

由于 Java 提供了對象的 clone() 方法，所以用 Java 實現原型模式很簡單。

1.模式的結構

原型模式包含以下主要角色。

抽象原型類：規定了具體原型對象必須實現的接口。

具體原型類：實現抽象原型類的 clone() 方法，它是可被復制的對象。

訪問類：使用具體原型類中的 clone() 方法來復制新的對象。

其結構圖如下圖 所示。

原型模式主要用于對象的復制，它的核心是就是類圖中的原型類Prototype。Prototype類需要具備以下兩個條件：

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• 實現Cloneable接口。在java語言有一個Cloneable接口，它的作用只有一個，就是在運行時通知虛擬機可以安全地在實現了此接口的類上使用clone方法。在java虛擬機中，只有實現了這個接口的類才可以被拷貝，否則在運行時會拋出CloneNotSupportedException異常。

• 重寫Object類中的clone方法。Java中，所有類的父類都是Object類，Object類中有一個clone方法，作用是返回對象的一個拷貝，但是其作用域protected類型的，一般的類無法調用，因此，Prototype類需要將clone方法的作用域修改為public類型。

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原型模式是一種比較簡單的模式，也非常容易理解，實現一個接口，重寫一個方法即完成了原型模式。在實際應用中，原型模式很少單獨出現。經常與其他模式混用，他的原型類Prototype也常用抽象類來替代。

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2.模式的實現

原型模式的克隆分為淺克隆和深克隆。

• 淺克隆：創建一個新對象，新對象的屬性和原來對象完全相同，對于非基本類型屬性，仍指向原有屬性所指向的對象的內存地址。

• 深克隆：創建一個新對象，屬性中引用的其他對象也會被克隆，不再指向原有對象地址。

Java中的 Object 類提供了淺克隆的 clone() 方法，具體原型類只要實現 Cloneable 接口就可實現對象的淺克隆，這里的 Cloneable 接口就是抽象原型類。其代碼如下：

//具體原型類 class?Realizetype?implements?Cloneable?{Realizetype() {System.out.println("具體原型創建成功！");}public?Object clone()?throws?CloneNotSupportedException {System.out.println("具體原型復制成功！");return?(Realizetype) super.clone();} }//原型模式的測試類 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));} }

程序的運行結果如下：

具體原型創建成功！ 具體原型復制成功！ obj1==obj2?false

原型模式的優缺點

原型模式的優點：

• Java?自帶的原型模式基于內存二進制流的復制，在性能上比直接 new 一個對象更加優良。因為Object類的clone方法是一個本地方法，它直接操作內存中的二進制流，特別是復制大對象時，性能的差別非常明顯。

• 簡化對象的創建，使得創建對象就像我們在編輯文檔時的復制粘貼一樣簡單。可以使用深克隆方式保存對象的狀態，使用原型模式將對象復制一份，并將其狀態保存起來，簡化了創建對象的過程，以便在需要的時候使用（例如恢復到歷史某一狀態），可輔助實現撤銷操作。

因為以上優點，所以在需要重復地創建相似對象時可以考慮使用原型模式。比如在有些系統中，存在大量相同或相似對象的創建問題，如果用傳統的構造函數來創建對象，會比較復雜且耗時耗資源，用原型模式生成對象就很高效，就像孫悟空拔下猴毛輕輕一吹就變出很多孫悟空一樣簡單。又比如需要在一個循環體內創建對象，假如對象創建過程比較復雜或者循環次數很多的話，使用原型模式不但可以簡化創建過程，而且可以使系統的整體性能提高很多。

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原型模式的缺點：

• 需要為每一個類都配置一個 clone 方法

• clone 方法位于類的內部，當對已有類進行改造的時候，需要修改代碼，違背了開閉原則。

• 當實現深克隆時，需要編寫較為復雜的代碼，而且當對象之間存在多重嵌套引用時，為了實現深克隆，每一層對象對應的類都必須支持深克隆，實現起來會比較麻煩。因此，深克隆、淺克隆需要運用得當。

原型模式的應用實例

【例】用原型模式模擬“孫悟空”復制自己。分析：孫悟空拔下猴毛輕輕一吹就變出很多孫悟空，這實際上是用到了原型模式。這里的孫悟空類SunWukong 是具體原型類，而 Java 中的Cloneable 接口是抽象原型類。由于要顯示孫悟空的圖像，所以將孫悟空類定義成面板 JPanel 的子類，里面包含了標簽，用于保存孫悟空的圖像。另外，重寫了 Cloneable 接口的clone() 方法，用于復制新的孫悟空。訪問類可以通過調用孫悟空的 clone() 方法復制多個孫悟空，并在框架窗體 JFrame 中顯示。圖 下圖所示是其結構圖。

圖?孫悟空生成器的結構圖

程序代碼如下：

import?java.awt.*; import?javax.swing.*;class?SunWukong?extends?JPanel?implements?Cloneable?{private?static?final?long?serialVersionUID = 5543049531872119328L;public?SunWukong()?{JLabel l1 = new?JLabel(new?ImageIcon("src/Wukong.jpg"));this.add(l1);}public?Object clone()?{SunWukong w = null;try?{w = (SunWukong) super.clone();} catch?(CloneNotSupportedException e) {System.out.println("拷貝悟空失敗!");}return?w;} }public?class?ProtoTypeWukong?{public?static?void?main(String[] args)?{JFrame jf = new?JFrame("原型模式測試");jf.setLayout(new?GridLayout(1, 2));Container contentPane = jf.getContentPane();SunWukong obj1 = new?SunWukong();contentPane.add(obj1);SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();contentPane.add(obj2);jf.pack();jf.setVisible(true);jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);} }

程序的運行結果如下圖所示。

思維導圖

原型模式在JDK源碼中的應用

首先查看 JDK 中的 Cloneable 接口。

public?interface?Cloneable?{}

我們只需要在源碼中看哪些類實現了 Cloneable 接口即可。下面是 ArrayList 類的實現代碼。

public?Object?clone() {try?{@SuppressWarnings("unchecked")ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);v.modCount = 0;return?v;} catch?(CloneNotSupportedException e) {// this shouldn't happen, since we are Cloneablethrow?new?InternalError();} }

從以上代碼可以看出，clone() 方法只是將 List 中的元素循環遍歷了一遍。此時，再思考一下，是不是這種形式就是深克隆呢？

下面用代碼驗證一下，繼續修改 ConcretePrototype 類，增加一個 deepCloneHobbies() 方法，代碼如下：

public?class?ConcretePrototype?implements?Cloneable,Serializable?{public?ConcretePrototype deepCloneHobbies(){try?{ConcretePrototype result = (ConcretePrototype) super.clone();result.hobbies = (List) ((ArrayList) result.hobbies).clone();return?result;}catch?(CloneNotSupportedException){return?null;}} ... }

客戶端代碼修改如下：

public?static?void?main(String[] args)?{...//復制原型對象ConcretePrototype cloneType = prototype.deepCloneHobbies();... }

運行結果如下：

原型對象：ConcretePrototype{age=18,name='C語言中文網',hobbies=[書法, 美術]} 克隆對象：ConcretePrototype{age=18,name='C語言中文網',hobbies=[書法, 美術, 技術控]}

可以發現以上結果與《使用序列化實現深克隆》一節運行結果相同，說明以上形式是深克隆。但是這樣的代碼是硬編碼。如果在對象中聲明了各種集合類型，則每種情況都需要單獨處理。因此，深克隆的寫法一般會直接用序列化來操作。

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總結

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