Java设计模式03：原型模式 Prototype Pattern
2021/01/15
Java
设计模式
# 情景介绍 有1只羊，克隆出10只羊 # 传统方式 > 实体 ```java /** * 羊 实体 */ @Getter @Setter @ToString @NoArgsConstructor @AllArgsConstructor public class Sheep { private Integer age; private String color; } ``` 这里用Lombok代替get/set/toString/无参/有参。 PS：不要用`@Data`注解，这个注解会重写`hashCode()`方法 ```java public static void main(String[] args) { // 普通模式克隆 Sheep sheep1 = new Sheep(1, "白色"); Sheep sheep2 = new Sheep(sheep1.getAge(), sheep1.getColor()); Sheep sheep3 = new Sheep(sheep1.getAge(), sheep1.getColor()); System.out.println(sheep1 + " " + sheep1.hashCode()); System.out.println(sheep2 + " " + sheep2.hashCode()); System.out.println(sheep3 + " " + sheep3.hashCode()); } ``` Sheep(age=1, color=白色) 1509886383 Sheep(age=1, color=白色) 1854778591 Sheep(age=1, color=白色) 2054798982 - 优点：是比较好理解，简单易操作。 - 缺点：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 > 解决方案 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，但是该类必须要实现接口Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力即：**原型模式** # 原型模式 Prototype Pattern > 简介 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，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 > UML类图与角色  - `Prototype`: 原型类，声明一个克隆自己的方法 - `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） ## 浅拷贝 > 使用原型模式解决克隆羊问题 实体： ```java /** * 羊 实体 * * 实现 Cloneable 接口，并重写 clone() 方法 */ @Getter @Setter @ToString @NoArgsConstructor @AllArgsConstructor public class Sheep implements Cloneable { private Integer age; private String color; @Override public Sheep clone() throws CloneNotSupportedException { return (Sheep)super.clone(); } } ``` ```java public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException { // 浅拷贝 Sheep s = new Sheep(1, "白色"); Sheep c1 = s.clone(); Sheep c2 = c1.clone(); System.out.println(s + " " + s.hashCode()); System.out.println(c1 + " " + c1.hashCode()); System.out.println(c2 + " " + c2.hashCode()); } ``` 输出如下： Sheep(age=1, color=白色) 932607259 Sheep(age=1, color=白色) 1740000325 Sheep(age=1, color=白色) 1142020464 分析： - `Object`类相当于原型类，声明了`clone()`方法 - `Cloneable`接口是为了支持`clone()`方法，后面用序列化就不需要实现此接口 - `Sheep`相当于具体的原型类 - `main()`方法相当于`Client` > 新场景： 这只羊，交了一个朋友，于是有了一个属性`private Sheep friend;` 实体： ```java /** * 羊 实体 */ @Getter @Setter @ToString @NoArgsConstructor @AllArgsConstructor public class Sheep implements Cloneable { private String name; private Integer age; private String color; private Sheep friend; /** * 额外写一个没朋友的羊的构造方法 */ public Sheep(String name, Integer age, String color) { this.name = name; this.age = age; this.color = color; } @Override public Object clone() throws CloneNotSupportedException { // 浅拷贝 return super.clone(); } } ``` 使用浅拷贝输出如下 Sheep(name=Tom, age=1, color=白色, friend=Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null)) 932607259 Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null) 1740000325 Sheep(name=Tom, age=1, color=白色, friend=Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null)) 1142020464 Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null) 1740000325 Sheep(name=Tom, age=1, color=白色, friend=Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null)) 1682092198 Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null) 1740000325 问题分析：这只羊对应的朋友并没有被克隆 - 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 - 前面克隆羊就是浅拷贝，浅拷贝是使用默认的`clone()`方法来实现 解决方案：使用深拷贝 ## 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) ### 重写clone() ``` /** * 羊 实体 */ @Getter @Setter @ToString @NoArgsConstructor @AllArgsConstructor public class Sheep implements Cloneable { private String name; private Integer age; private String color; private Sheep friend; /** * 额外写一个没朋友的羊的构造方法 */ public Sheep(String name, Integer age, String color) { this.name = name; this.age = age; this.color = color; } /** * 深拷贝方式1：使用 clone() */ @Override protected Object clone() throws CloneNotSupportedException { // 完成对基本数据类型(属性)、包装类、String的克隆 Sheep sheep = (Sheep)super.clone(); // 判断引用类型是否为空 if (sheep.friend != null) { // 对引用类型的属性，进行单独处理 sheep.friend = (Sheep)friend.clone(); } return sheep; } } ``` ### 序列化 ```java /** * 羊 实体 */ @Getter @Setter @ToString @NoArgsConstructor @AllArgsConstructor public class Sheep implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; private String name; private Integer age; private String color; private Sheep friend; /** * 额外写一个没朋友的羊的构造方法 */ public Sheep(String name, Integer age, String color) { this.name = name; this.age = age; this.color = color; } /** * 深拷贝方式2：通过对象的序列化实现 (推荐) */ @Override public Sheep clone() { // 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); // 反序列化 bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()); ois = new ObjectInputStream(bis); return (Sheep)ois.readObject(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } finally { // 关闭流 try { if (bos != null) { bos.close(); } if (oos != null) { oos.close(); } if (bis != null) { bis.close(); } if (ois != null) { ois.close(); } } catch (Exception e2) { System.out.println(e2.getMessage()); } } } } ``` > 重写后每只克隆羊都有自己的克隆朋友 ```java public static void main(String[] args) { Sheep friendSheep = new Sheep("jerry", 2, "黑色"); Sheep s = new Sheep("tom", 1, "白色", friendSheep); Sheep c1 = s.clone(); Sheep c2 = s.clone(); System.out.println(s + " " + s.hashCode() + " " + s.getFriend() + " " + s.getFriend().hashCode()); System.out.println(c1 + " " + c1.hashCode() + " " + c1.getFriend() + " " + c1.getFriend().hashCode()); System.out.println(c2 + " " + c2.hashCode() + " " + c2.getFriend() + " " + c2.getFriend().hashCode()); } ``` 输出如下： Sheep(name=Tom, age=1, color=白色, friend=Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null)) 1032607259 Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null) 1740000325 Sheep(name=Tom, age=1, color=白色, friend=Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null)) 1142020464 Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null) 1682092198 Sheep(name=Tom, age=1, color=白色, friend=Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null)) 1626877848 Sheep(name=Jerry, age=2, color=黑色, friend=null) 905544614 # 总结 - 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 - 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态 - 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 - 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码 - 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`。
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