软件设计模式修炼 -- 原型模式

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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在软件系统中，有时候需要多次创建某一类型对象，为了简化创建过程，可以只创建一个对象，然后再通过克隆的方法复制出多个相同的对象，这就是原型模式的设计思想。

模式定义

原型模式是一种对象创建模式，用原型实例指定创建对象的种类，并且通过复制这些原型创建新的对象。

模式结构

软件设计模式修炼 -- 原型模式

Prototype(抽象原型类)

抽象原型类是定义具有克隆自己方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口。
ConcretePrototype(具体原型类)

具体原型类实现具体克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象
Client(客户类)

让一个原型克隆自身，从而创建一个新的对象，在客户类中只需直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个对象，再通过调用该对象的克隆方法复制多个相同的对象。

Java对原型模式的支持

Java语言中的原型模式实现很简单，原型模式结构中定义了一个抽象原型类，所有的Java类都继承自java.lang.Object，而Object类提供一个clone方法，可以将一个Java对象复制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的克隆。

需要注意的是能实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持复制。如果一个类没有实现这个接口但调用了clone()方法，Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。

public class PrototypeDemo implements Cloneable {

    @Override
    protected Object clone() {

        Object o = null;

        try {
            o = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("Not support cloneable");
        }
        return o;
    }
}

public class Client {

    PrototypeDemo prototypeDemo = new PrototypeDemo();
    PrototypeDemo prototypeDemo2 = (PrototypeDemo) prototypeDemo.clone();
}

深克隆与浅克隆

通常情况下，一个类包含一些成员对象，在使用原型模式克隆对象时，根据其成员对象是否也克隆，原型模式可分为两种形式：深克隆和浅克隆。

浅克隆

被复制对象的所有普通成员变量都具有与原来的对象相同的值，而所有对其他对象的引用仍然指向原来对象。

obj1是原型对象，obj2为复制后对象，containedObj1和containedObj2为成员对象。
深克隆

引用其他对象的变量将指向被复制过的新对象，而不是原有被引用的对象。

Java语言原型模式的实现

Java语言提供的clone()方法将对象复制一份并返回给调用者，一般而言，clone()方法满足：

对任何对象x，都有clone() != x，即克隆对象与原对象不是同一个对象。
对任何对象x，都有x.clone().getClass() == x.getClass()，即克隆对象与原对象的类型一样。
如果对象的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。

为了获取对象的一份拷贝，可以利用Object类的clone()方法，具体步骤如下

在派生类中覆盖基类的clone()方法，并声明为public。
在派生类的clone()方法中，调用super.clone()。
在派生类中实现Cloneable接口

通过覆盖Object类的clone()方法实现浅克隆，如果需要实现深克隆，可以通过序列化等方式来实现。

原型模式实例之邮件复制（浅克隆）

实例说明

由于邮件对象包含的内容较多（如发送者、标题、内容、日期、附件等），某系统现需提供一个邮件复制功能，对于已经创建好的邮件对象，可以通过复制的方式创建一个新的邮件对象，如果需要改变某部分内容，无须修改原始的邮件对象，只需要修改复制后得到的邮件对象即可。本例使用浅克隆实现邮件复制，即复制邮件（E-mail）的同时不复制附件。

实例代码及解释

抽象原型类Object

Object作为抽象原型类，提供了克隆方法clone()，用于创建一个原型对象，其clone()方法由JVM完成具体实现，用户在使用时无须关心。
```
public class Object {

    protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
}
```

具体原型类Email（邮件类）

public class Email implements Cloneable {

    private Attachment attachment = null;

    public Email() {

    }

    public Email(Attachment attachment) {
        this.attachment = attachment;
    }

    public Attachment getAttachment() {
        return attachment;
    }

    @Override
    public Object clone() {

        Email clone = null;

        try {
            clone = (Email) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return clone;
    }
}

附件类Attachment

public class Attachment {

    public void download() {
        System.out.println("下载附件");
    }
}

客户端测试类Client

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Email email = new Email(new Attachment());

        Email copyEmail = (Email) email.clone();

        System.out.println(email == copyEmail);
        System.out.println(email.getAttachment() == copyEmail.getAttachment());
    }
}

结果分析

编译并运行客户端测试类，输出结果如下：

通过结果可以看出，复制得到的对象与原型对象的引用不一致，但两个对象的成员对象是同一个，说明虽然对象本身复制了一份，但其成员对象在内存中没有复制，原型对象与克隆对象都维持了对相同成员对象的引用。

原型模式实例之邮件复制（深克隆）

实例说明

用深克隆实现邮件复制

实例代码及解释

具体原型类Email（邮件类）

Email作为具体类，由于实现的是深克隆，无须使用Object的clone()方法；通过序列化的方法实现深克隆，由于要将Email类型对象写入流中，因此Email类需实现Serializable接口。

public class Email implements Serializable {

    private Attachment attachment = null;

    public Email() {

        this.attachment = new Attachment();
    }

    public Attachment getAttachment() {

        return attachment;
    }

    public Object deepclone() throws IOException, ClassNotFoundException {

        //将对象写入流中
        ByteArrayOutputStream bao = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bao);
        oos.writeObject(this);

        //将对象从流中取出
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return (ois.readObject());
    }
}

附件类Attachment

Attachment类型对象也将被写入流中，因此也需实现Serializable接口。

public class Attachment implements Serializable {

    public void download() {
        System.out.println("下载附件");
    }
}

客户端测试类Client

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Email email, copyEmail = null;

        email = new Email();

        try {
            copyEmail = (Email) email.deepclone();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(email == copyEmail);
        System.out.println(email.getAttachment() == copyEmail.getAttachment());
    }
}