设计模式（五）--创建型模式：原型模式

一、克隆羊问题

现在有一只羊 tom，姓名为: tom, 年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

二、传统方式解决克隆羊问题 2.1.传统方式类图

2.2.代码实现

Sheep.java

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

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

    public Sheep() {
    }

    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 + ''' +
                '}';
    }
}

Test.java

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //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);
        //...
    }
}

输出：

Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’}
Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’}
Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’}
Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’}
Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’}

2.3.传统的方式的优缺点

1、优点是比较好理解，简单易操作。
2、在创建新的对象时，总是需要重新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。
3、总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活。
4、当sheep实体有改动时候需要修改大量代码。

2.4.改进思路

思路：Java 中 Object 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。

三、原型模式 3.1.基本介绍

1、原型模式(Prototype 模式)是指：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。
2、原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节。
3、工作原理是:通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即对象.clone()。
4、形象的理解：孙大圣拔出猴毛，变出其它孙大圣。

3.2.uml 类图

Prototype : 原型类，声明一个克隆自己的接口。
ConcretePrototype: 具体的原型类, 实现一个克隆自己的操作。
Client: 让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象(属性一样）。

3.3.代码实现

使用原型模式改进传统方式，让程序具有更高的效率和扩展性。
原型类（sheep）

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

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

    public Sheep() {
    }

    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 + ''' +
                ", friend=" + friend +
                '}';
    }

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

}

Client.java

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();

        //克隆
        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());
    }
}

输出：

原型模式完成对象的创建
sheep2 =Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’, address=‘蒙古羊’, friend=Sheep{name=‘jack’, age=2, color=‘黑色’, address=‘蒙古羊’, friend=null}}sheep2.friend=1831932724
sheep3 =Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’, address=‘蒙古羊’, friend=Sheep{name=‘jack’, age=2, color=‘黑色’, address=‘蒙古羊’, friend=null}}sheep3.friend=1831932724
sheep4 =Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’, address=‘蒙古羊’, friend=Sheep{name=‘jack’, age=2, color=‘黑色’, address=‘蒙古羊’, friend=null}}sheep4.friend=1831932724
sheep5 =Sheep{name=‘tom’, age=1, color=‘白色’, address=‘蒙古羊’, friend=Sheep{name=‘jack’, age=2, color=‘黑色’, address=‘蒙古羊’, friend=null}}sheep5.friend=1831932724

四、原型模式在 Spring 框架中源码分析

Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式的应用

五、深入讨论浅拷贝和深拷贝 5.1.浅拷贝的介绍

1、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。
2、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向同一个实例。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。
3、前面我们克隆羊就是浅拷贝。
4、浅拷贝是使用默认的 clone()方法来实现 sheep = (Sheep) super.clone()。

5.2.深拷贝基本介绍

1、复制对象的所有基本数据类型的成员变量值。
2、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，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝。
3、深拷贝实现方式

重写 clone 方法来实现深拷贝
通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

5.3.重写 clone 方法实现深拷贝

DeepCloneableTarget(原型类的引用类）

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String cloneName;
    private String 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 
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

原型类

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable {

    public String name; //String 属性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    //深拷贝 - 方式 1 使用 clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object deep = null;
        //--这里完成对基本数据类型(属性)和 String 的克隆
        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;

    }
}

使用

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        DeepProtoType p = new DeepProtoType();
        p.name = "宋江";
        p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");
        DeepProtoType p2 = (DeepProtoType)p.clone();

        System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("p2.name=" + p2.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
    }
}

输出：

p.name=宋江p.deepCloneableTarget=1831932724
p2.name=宋江p2.deepCloneableTarget=1747585824

5.4.通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

DeepCloneableTarget(原型类的引用类）

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String cloneName;
    private String 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 
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

原型类

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable {

    public String name; //String 属性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    //深拷贝 - 方式 2 通过对象的序列化实现 (推荐)
    public Object deepClone() {
        //创建流对象
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            //序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this); //当前这个对象以对象流的方式输出

            //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());
            }
        }
    }
}

使用

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        DeepProtoType p = new DeepProtoType();
        p.name = "宋江";
        p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");
        DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.deepClone();
        System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("p2.name=" + p2.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
    }
}

输出：

p.name=宋江p.deepCloneableTarget=1989780873
p2.name=宋江p2.deepCloneableTarget=1267032364

六、原型模式的注意事项和细节

1、创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率。
2、不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态。
3、如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码。
4、在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码。
5、缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了 ocp 原则。

设计模式（五）--创建型模式：原型模式

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