Java?深入理解創(chuàng)建型設計模式之原型模式

更新時間：2022年02月16日 16:19:57 作者：張起靈-小哥

原型（Prototype）模式的定義如下：用一個已經創(chuàng)建的實例作為原型，通過復制該原型對象來創(chuàng)建一個和原型相同或相似的新對象。在這里，原型實例指定了要創(chuàng)建的對象的種類。用這種方式創(chuàng)建對象非常高效，根本無須知道對象創(chuàng)建的細節(jié)

1.思考問題

現(xiàn)在有一只羊 tom，姓名為: tom，年齡為:1，顏色為:白色，請編寫程序創(chuàng)建和 tom羊屬性完全相同的10只羊。

按照傳統(tǒng)的思路來，我們可能會按照下面的方式去寫。

那么這種寫法的優(yōu)缺點自然而然就出來了：

優(yōu)點是比較好理解，簡單易操作。
缺點是在創(chuàng)建新的對象時，總是需要重新獲取原始對象的屬性，如果創(chuàng)建的對象比較復雜時，效率較低?？偸切枰匦鲁跏蓟瘜ο?，而不是動態(tài)地獲得對象運行時的狀態(tài)，不夠靈活。
改進的思路分析：Java中Object類是所有類的根類，Object類提供了一個 clone()方法，該方法可以將一個Java對象復制一份，但是需要實現(xiàn)clone的Java類必須要實現(xiàn)一個接口Cloneable，該接口表示該類能夠復制且具有復制的能力 => 原型模式。

2.什么是原型模式？

原型模式(Prototype模式)是指: 用原型實例指定創(chuàng)建對象的種類，并且通過拷貝這些原型，創(chuàng)建新的對象。
原型模式是一種創(chuàng)建型設計模式，允許一個對象再創(chuàng)建另外一個可定制的對象，無需知道如何創(chuàng)建的細節(jié)。
工作原理是: 通過將一個原型對象傳給那個要發(fā)動創(chuàng)建的對象，這個要發(fā)動創(chuàng)建的對象通過請求原型對象拷貝它們自己來實施創(chuàng)建，即對象.clone()。

原型模式相關的類圖如下：

3.克隆羊多莉案例代碼（淺拷貝）

這里由于我是新建的普通Java項目，并不是maven項目，所以沒法加lombok依賴。那么這里的構造器、setter/getter方法顯得這個類的篇幅比較長。。。

package com.szh.prototype.shallowclone;
 
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private Integer age;
    private String color;
    private Sheep friend;
 
    public Sheep(String name, Integer age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
 
    public Sheep(String name, Integer age, String color, Sheep friend) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
        this.friend = friend;
    }
 
    public String getName() {
        return name;
    }
 
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
 
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
 
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
 
    public String getColor() {
        return color;
    }
 
    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }
 
    public Sheep getFriend() {
        return friend;
    }
 
    public void setFriend(Sheep friend) {
        this.friend = friend;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", color='" + color + '\'' +
                ", friend=" + friend +
                '}';
    }
 
    //克隆該實例，使用默認的clone方法來完成
    @Override
    protected Object clone()  {
        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        return sheep;
    }
}

package com.szh.prototype.shallowclone;
 
public class MainTest {
    public static void main(String[] args) {
        Sheep sheep = new Sheep("多莉",5,"黑白相間",new Sheep("喜羊羊",1,"白色"));
 
        Sheep sheep2 = (Sheep) sheep.clone();
        Sheep sheep3 = (Sheep) sheep.clone();
        Sheep sheep4 = (Sheep) sheep.clone();
        Sheep sheep5 = (Sheep) sheep.clone();
 
        System.out.println(sheep + "  sheep.friend.hashCode = " + sheep.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep2 + "  sheep2.friend.hashCode = " + sheep2.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep3 + "  sheep3.friend.hashCode = " + sheep3.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep4 + "  sheep4.friend.hashCode = " + sheep4.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep5 + "  sheep5.friend.hashCode = " + sheep5.getFriend().hashCode());
    }
}

從上面的運行結果中可以看到，Sheep類中的前三個成員屬性都可以成功的拷貝，但是最后一個friend，它表示羊的朋友（也是Sheep類型，就是引用類型了）。而當我們拷貝完成之后，應該來說都是不一樣的新的對象，但是它們中的friend屬性的hashCode居然是一樣的?。?！這里我們就要來聊一聊深拷貝和淺拷貝了。

淺拷貝：

對于數(shù)據(jù)類型是基本數(shù)據(jù)類型的成員變量，淺拷貝會直接進行值傳遞，也就是將該屬性值復制一份給新的對象。
對于數(shù)據(jù)類型是引用數(shù)據(jù)類型的成員變量，比如說成員變量是某個數(shù)組、某個類對象等，那么淺拷貝會進行引用傳遞，也就是只是將該成員變量的引用值(內存地址〉復制一份給新的對象。因為實際上兩個對象的該成員變量都指向同一個實例。在這種情況下，在一個對象中修改該成員變量會影響到另一個對象的該成員變量值。
前面我們克隆羊就是淺拷貝。淺拷貝是使用默認的clone()方法來實現(xiàn)：sheep= (Sheep) super.clone();

深拷貝：

復制對象的所有基本數(shù)據(jù)類型的成員變量值。
為所有引用數(shù)據(jù)類型的成員變量申請存儲空間，并復制每個引用數(shù)據(jù)類型成員變量所引用的對象，直到該對象可達的所有對象。也就是說，對象進行深拷貝要對整個對象(包括對象的引用類型)進行拷貝。
深拷貝實現(xiàn)方式1: 重寫clone方法來實現(xiàn)深拷貝。
深拷貝實現(xiàn)方式2: 通過對象序列化實現(xiàn)深拷貝(推薦)。

4.深拷貝代碼案例

package com.szh.prototype.deepclone;
 
import java.io.Serializable;
 
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;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "DeepCloneableTarget{" +
                "cloneName='" + cloneName + '\'' +
                ", cloneClass='" + cloneClass + '\'' +
                '}';
    }
 
    //因為該類的屬性，都是String , 因此我們這里使用默認的clone完成即可
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

package com.szh.prototype.deepclone;
 
import java.io.*;
 
public class DeepPrototype implements Serializable, Cloneable {
 
    public String name; //String 屬性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用類型
 
    public DeepPrototype() {
        super();
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "DeepPrototype{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", deepCloneableTarget=" + deepCloneableTarget +
                '}';
    }
 
    //深拷貝 - 方式 1 使用clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object deep = null;
        deep = super.clone();
        DeepPrototype deepPrototype = (DeepPrototype) deep;
        deepPrototype.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget) deepCloneableTarget.clone();
        return deepPrototype;
    }
 
    //深拷貝 - 方式2 通過對象的序列化實現(xiàn) (推薦)
    public Object deepClone() {
        //創(chuàng)建流對象
        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);
            DeepPrototype copyObj = (DeepPrototype) ois.readObject();
            return copyObj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            //關閉流
            try {
                ois.close();
                bis.close();
                oos.close();
                bos.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
}

package com.szh.prototype.deepclone;
 
public class MainTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DeepPrototype prototype = new DeepPrototype();
        prototype.name = "張起靈";
        prototype.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("小哥","悶油瓶");
 
        //方式1 完成深拷貝
        DeepPrototype prototype2 = (DeepPrototype) prototype.clone();
        System.out.println("方式1 完成深拷貝");
        System.out.println("prototype.name = " + prototype.name + ", prototype.deepCloneableTarget = " + prototype.deepCloneableTarget);
        System.out.println("prototype.deepCloneableTarget.hashCode = " + prototype.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("-------------------------------------------------------");
        System.out.println("prototype2.name = " + prototype2.name + ", prototype2.deepCloneableTarget = " + prototype2.deepCloneableTarget);
        System.out.println("prototype2.deepCloneableTarget.hashCode = " + prototype2.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("==============================================================================");
 
        //方式2 完成深拷貝
        DeepPrototype prototype3 = (DeepPrototype) prototype.deepClone();
        System.out.println("方式2 完成深拷貝");
        System.out.println("prototype.name = " + prototype.name + ", prototype.deepCloneableTarget = " + prototype.deepCloneableTarget);
        System.out.println("prototype.deepCloneableTarget.hashCode = " + prototype.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("-------------------------------------------------------");
        System.out.println("prototype3.name = " + prototype3.name + ", prototype3.deepCloneableTarget = " + prototype3.deepCloneableTarget);
        System.out.println("prototype3.deepCloneableTarget.hashCode = " + prototype3.deepCloneableTarget.hashCode());
    }
}