原型模式 · Rwhither’s Blog

原型概述 #

原型（Prototype）模式的定义如下：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。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

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。

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 #

原型模式通常适用于以下场景。

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。

结构与实现 #

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。

原型模式包含以下主要角色。

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。

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。其结构图如图所示。

深克隆和浅克隆 #

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

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。

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。

浅克隆 #

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。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        TestClone protoType=new TestClone();
        TestClone cloneObj=(TestClone) protoType.clone();
        //---------------直接使用clone时，发现是浅拷贝---------------
        System.out.printf("protoType：%s\n",protoType);
        System.out.printf("cloneObj：%s\n",cloneObj);
        System.out.println(protoType.list==cloneObj.list);
    }
}
class TestClone implements Cloneable{
    int a=1;
    String b="2";
    List<Integer> list= Arrays.asList(1,2,3,4);
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

从运行结果可以看出：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。因此 clone()是浅克隆的方法。

深克隆 #

可以通过重写clone()方法，使用序列化和反序列化来实现深拷贝。

package com.company.test;

import com.google.gson.Gson;
import com.google.gson.reflect.TypeToken;

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        TestClone protoType=new TestClone();
        TestClone cloneObj=(TestClone) protoType.clone();
        //---------------直接使用clone时，发现是浅拷贝---------------
        System.out.printf("protoType：%s\n",protoType);
        System.out.printf("cloneObj：%s\n",cloneObj);
        //---------------重写clone(),使用序列化和反序列化来实现深拷贝---------------
        System.out.println(protoType.list==cloneObj.list);
    }
    //字节流序列化与反序列化
    public static <T> List<T> deepCopy(List<T> src) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ByteArrayOutputStream byteOut = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(byteOut);
        out.writeObject(src);
        ByteArrayInputStream byteIn = new ByteArrayInputStream(byteOut.toByteArray());
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(byteIn);
        List<T> dest = (List<T>) in.readObject();
        return dest;
    }
    //Gson序列化与反序列化
    public static <T> List<T> gsonDeepCopy(List<T> src){
        Gson gson=new Gson();
        String json=gson.toJson(src);
        return gson.fromJson(json,new TypeToken<List<T>>() {}.getType());
    }
}
class TestClone implements Cloneable{
    int a=1;
    String b="2";
    List<Integer> list= Arrays.asList(1,2,3,4);
    public void setList(List<Integer> list) {
        this.list = list;
    }
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object o=super.clone();
        List<Integer> list=((TestClone)o).list;
//        try {
//            ((TestClone)o).setList(Main.deepCopy(list));
//        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
        List<Integer> list1=Main.gsonDeepCopy(list);
        ((TestClone) o).setList(list1);
        return o;
    }
}

可以发现这两个对象终于不相等了！！：

克隆会破坏单例对象吗？ #

从运行结果来看，确实创建了两个不同的对象，破坏了单例对象。实际上防止复制破坏单例对象的解决思路非常简单，禁止复制便可。那么我们的单例类不实现 Cloneable 接口，要么我们重写 clone() 方法，在 clone() 方法中返回单例对象即可。

从逻辑上看：一个对象要是是单例的，那么它就应该禁止被复制。