设计模式-创建型模式-原型模式

原型模式（原型设计模式）

在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效。

原型模式的定义

用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。

在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。

---

原型模式的优点

• Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。

• 可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份，并将其状态保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。

---

原型模式的缺点

• 需要为每一个类都配置一个 clone 方法。

• clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。

• 当实现深克隆时，需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。

---

原型模式的应用场景

• 对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
• 创建对象成本较大，例如初始化时间长，占用CPU太多，或者占用网络资源太多等，需要优化资源。
• 创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等，需要提高性能或者提高安全性。
• 系统中大量使用该类对象，且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。

在 Spring 中，原型模式应用的非常广泛，例如 scope=’prototype’、JSON.parseObject() 等都是原型模式的具体应用。

---

原型模式的结构

• 由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。

• 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。

• 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。

• 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

---

原型模式的实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。

• 浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。（即克隆对象内的对象仍是旧对象）

• 深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

// 原型接口
interface Prototype {
    Object clone();
}

// 飞机类
class Plane implements Prototype {
    private String name;
    private String type;

    public Plane() {
        name = "Name:" + Math.random();
        type = "Type:" + Math.random();
    }

    public Plane(Plane plane) {
        this.name = plane.name;
        this.type = plane.type;
        // 如果是引用类型则在构造函数里面new一个新的
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
    public String getType() {
        return type;
    }

    @Override
    public Object clone() {
        // return (Plane)super.clone();     // 浅克隆
        return new Plane(this);             // 深克隆
    }
}

public class PrototypePattern {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Plane plane = new Plane();
        System.out.println(plane.getName() + " " + plane.getType());
        Plane clone = (Plane)plane.clone();
        System.out.println(clone.getName() + " " + clone.getType());
    }
}

---

原型模式的扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式，它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型，Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如下图所示。

用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型，并计算其面积。分析：本实例中由于存在不同的图形类，例如，“圆”和“正方形”，它们计算面积的方法不一样，所以需要用一个原型管理器来管理它们，下图所示是其结构图。

import java.util.*;
interface Shape extends Cloneable {
    public Object clone();    //拷贝
    public void countArea();    //计算面积
}
class Circle implements Shape {
    public Object clone() {
        Circle w = null;
        try {
            w = (Circle) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("拷贝圆失败!");
        }
        return w;
    }
    public void countArea() {
        int r = 0;
        System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        r = input.nextInt();
        System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");
    }
}
class Square implements Shape {
    public Object clone() {
        Square b = null;
        try {
            b = (Square) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("拷贝正方形失败!");
        }
        return b;
    }
    public void countArea() {
        int a = 0;
        System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        a = input.nextInt();
        System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");
    }
}
class ProtoTypeManager {
    private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();
    public ProtoTypeManager() {
        ht.put("Circle", new Circle());
        ht.put("Square", new Square());
    }
    public void addshape(String key, Shape obj) {
        ht.put(key, obj);
    }
    public Shape getShape(String key) {
        Shape temp = ht.get(key);
        return (Shape) temp.clone();
    }
}
public class ProtoTypeShape {
    public static void main(String[] args) {
        ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
        Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
        obj1.countArea();
        Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
        obj2.countArea();
    }
}

运行结果如下所示：

这是一个圆，请输入圆的半径：3
该圆的面积=28.2735

这是一个正方形，请输入它的边长：3
该正方形的面积=9

---

参考资料

http://c.biancheng.net/view/1343.html
https://blog.csdn.net/zhangjg_blog/article/details/18369201
https://www.bilibili.com/video/BV1Tt4y1e7mk