設(shè)計(jì)模式之原型模式

HelKyle 發(fā)布于2019-08-19 11:47 / 622人閱讀

摘要：缺點(diǎn)首先要記住原型模式的拷貝時(shí)不會(huì)執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)的。源碼地址原型模式參考慕課網(wǎng)設(shè)計(jì)模式精講設(shè)計(jì)模式之原型模式原型模式示例六原型模式破壞單例模式

0x01.定義與類型

定義：指原型實(shí)例指定創(chuàng)建對(duì)象的種類，并且通過拷貝這些原型創(chuàng)建新的對(duì)象

特點(diǎn)：不需要知道任何創(chuàng)建的細(xì)節(jié)，不調(diào)用構(gòu)造函數(shù)

類型：創(chuàng)建型

UML

原型模式主要用于對(duì)象的復(fù)制，它的核心是就是類圖中的原型類Prototype。Prototype類需要具備以下兩個(gè)條件：

實(shí)現(xiàn)Cloneable接口。在java語言有一個(gè)Cloneable接口，它的作用只有一個(gè)，就是在運(yùn)行時(shí)通知虛擬機(jī)可以安全地在實(shí)現(xiàn)了此接口的類上使用clone方法。在java虛擬機(jī)中，只有實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口的類才可以被拷貝，否則在運(yùn)行時(shí)會(huì)拋出CloneNotSupportedException異常。

重寫Object類中的clone方法。Java中，所有類的父類都是Object類，Object類中有一個(gè)clone方法，作用是返回對(duì)象的一個(gè)拷貝，但是其作用域protected類型的，一般的類無法調(diào)用，因此Prototype類需要將clone方法的作用域修改為public類型。

Java實(shí)現(xiàn)

/**
 * 原型模式
 */
public class Prototype implements Cloneable {

    private String name;

    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

/**
 * 測試與應(yīng)用類
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Prototype prototype = new Prototype();
        prototype.setName("K.O");
        List names = new ArrayList<>();
        names.add("K.O");
        prototype.setNames(names);
        for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            Prototype p = (Prototype) prototype.clone();
            p.setName("sigma");
            p.getNames().add("sigma");
            System.out.println(p.toString());
            System.out.println(p.getName());
            System.out.println(p.getNames().size());

        }
        System.out.println(prototype.toString());
        System.out.println(prototype.getName());
        System.out.println(prototype.getNames().size());
    }
}

測試輸出結(jié)果

org.ko.prototype.basic.Prototype@1540e19d
sigma
2
org.ko.prototype.basic.Prototype@677327b6
sigma
3
org.ko.prototype.basic.Prototype@14ae5a5
sigma
4
org.ko.prototype.basic.Prototype@7f31245a
sigma
5
org.ko.prototype.basic.Prototype@6d6f6e28
sigma
6
org.ko.prototype.basic.Prototype@135fbaa4
K.O
6

可以看出，輸出結(jié)果中對(duì)象的地址不同（是重新創(chuàng)建的）

修改基本類型時(shí)，并不能影響基礎(chǔ)類，而引用對(duì)象只是指向的基礎(chǔ)類的屬性。

這里有個(gè)問題叫深拷貝，淺拷貝，后續(xù)會(huì)介紹！

原型模式的各個(gè)元素，原型模式比較簡單，元素比較少

原型接口：適用原型模式要實(shí)現(xiàn)原型接口，重寫里面的 clone()方法

原型類：具體產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

0x02.使用場景

類初始化消耗較多資源。

new產(chǎn)生的一個(gè)對(duì)象需要非常繁瑣的過程（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、訪問權(quán)限等）。

構(gòu)造函數(shù)比較復(fù)雜。

循環(huán)體中生產(chǎn)大量對(duì)象時(shí)。

0x03.優(yōu)點(diǎn)

原型模式性能比直接new一個(gè)對(duì)象性能高，是在內(nèi)存中二進(jìn)制流的拷貝，要比直接new一個(gè)對(duì)象性能好很多，特別是要在一個(gè)循環(huán)體內(nèi)產(chǎn)生大量對(duì)象時(shí)，原型模式可能更好的體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)。

還可以簡化創(chuàng)建過程。

還有一個(gè)重要的用途就是保護(hù)性拷貝，也就是對(duì)某個(gè)對(duì)象對(duì)外可能是只讀的，為了防止外部對(duì)這個(gè)只讀對(duì)象的修改，通?？梢酝ㄟ^返回一個(gè)對(duì)象拷貝的形式實(shí)現(xiàn)只讀的限制。

0x04.缺點(diǎn)

首先要記住原型模式的拷貝時(shí)不會(huì)執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)的。

clone并不一定比new一個(gè)對(duì)象快，只有當(dāng)new對(duì)象比較耗時(shí)時(shí)，才考慮使用原型模式。

必須配備克隆方法。

對(duì)克隆復(fù)雜對(duì)象或?qū)寺〕龅膶?duì)象進(jìn)行復(fù)雜改造時(shí)，容易引入風(fēng)險(xiǎn)。

深拷貝、淺拷貝要運(yùn)用得當(dāng)。

要使用clone方法，類的成員變量上不要增加final關(guān)鍵字，final類型是不允許重賦值的。

0x05.樣例實(shí)現(xiàn)

使用原型模式實(shí)現(xiàn)發(fā)送郵件

Java代碼實(shí)現(xiàn)

/**
 * Mail實(shí)現(xiàn)類
 * 實(shí)現(xiàn) Cloneable 接口
 * 重寫 Object.clone() 方法
 */
public class Mail implements Cloneable {

    private String name;

    private String emailAddress;

    private String content;

    public Mail () {
        System.out.println("Mail Class Constructor!");
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getEmailAddress() {
        return emailAddress;
    }

    public void setEmailAddress(String emailAddress) {
        this.emailAddress = emailAddress;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Mail{" +
                "name="" + name + """ +
                ", emailAddress="" + emailAddress + """ +
                ", content="" + content + """ +
                "}" + super.toString();
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("clone mail object!");
        return super.clone();
    }
}

/**
 * Mail工具類
 */
public class MailUtil {

    public static void sendMail (Mail mail) {
        String outputContent = "向{0}同學(xué), 郵件地址：{1},郵件內(nèi)容：{2}, 發(fā)送郵件成功！";
        System.out.println(MessageFormat.format(
                outputContent,
                mail.getName(),
                mail.getEmailAddress(), mail.getContent())
        );
    }

    public static void saveOriginMailRecord (Mail mail) {
        System.out.println("存儲(chǔ)originMail記錄, originMail: " + mail.getContent());
    }
}

測試與應(yīng)用

/**
 * 測試與應(yīng)用
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Mail mail = new Mail();
        mail.setContent("初始化模板");

        System.out.println("初始化mail: " + mail.toString());
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Mail mailTemp = (Mail) mail.clone(); //并沒有調(diào)用Mail構(gòu)造器
            mailTemp.setName("K.O_" + i);
            mailTemp.setEmailAddress("ko.shen_" + i + "@hotmail.com");
            mailTemp.setContent("恭喜您中獎(jiǎng)了。");
            MailUtil.sendMail(mailTemp);
            System.out.println("克隆的mailTemp: " + mailTemp.toString());
        }
        MailUtil.saveOriginMailRecord(mail);
    }
}

測試結(jié)果

Mail Class Constructor!
初始化mail: Mail{name="null", emailAddress="null", content="初始化模板"}org.ko.prototype.v2.Mail@1540e19d
clone mail object!
向K.O_0同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_0", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@677327b6
clone mail object!
向K.O_1同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_1", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@14ae5a5
clone mail object!
向K.O_2同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_2", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@7f31245a
clone mail object!
向K.O_3同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_3", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@6d6f6e28
clone mail object!
向K.O_4同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_4", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@135fbaa4
clone mail object!
向K.O_5同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_5", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@45ee12a7
clone mail object!
向K.O_6同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_6", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@330bedb4
clone mail object!
向K.O_7同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_7", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@2503dbd3
clone mail object!
向K.O_8同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_8", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@4b67cf4d
clone mail object!
向K.O_9同學(xué), 郵件地址：[email protected],郵件內(nèi)容：恭喜您中獎(jiǎng)了。, 發(fā)送郵件成功！
克隆的mailTemp: Mail{name="K.O_9", emailAddress="[email protected]", content="恭喜您中獎(jiǎng)了。"}org.ko.prototype.v2.Mail@7ea987ac
存儲(chǔ)originMail記錄, originMail: 初始化模板

從輸出信息可以看出來，使用clone方法不需要通過構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建

由于原型模式uml比較簡單，和上面基本一致，這里就不再介紹了！

0x06.擴(kuò)展（深拷貝與淺拷貝） 1. 淺克隆

直接實(shí)現(xiàn)原型模式

/**
 * 淺克隆
 */
public class Pig1 implements Cloneable {
    private String name;

    private Date birthday;

    public Pig1(String name, Date birthday) {
        this.name = name;
        this.birthday = birthday;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Date getBirthday() {
        return birthday;
    }

    public void setBirthday(Date birthday) {
        this.birthday = birthday;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Pig1{" +
                "name="" + name + """ +
                ", birthday=" + birthday +
                "}" + super.toString();
    }
}

測試類

public class Test1 {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        //淺克隆, 沒辦法克隆引用對(duì)象
        Date birthday = new Date(0l);

        Pig1 pig1 = new Pig1("佩奇", birthday);
        Pig1 pig2 = (Pig1) pig1.clone();

        System.out.println(pig1);
        System.out.println(pig2);
        System.out.println("-------");

        pig1.getBirthday().setTime(666666666666L);

        System.out.println(pig1);
        System.out.println(pig2);
    }
}

輸出日志

Pig1{name="佩奇", birthday=Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970}org.ko.prototype.clone.Pig1@6d6f6e28
Pig1{name="佩奇", birthday=Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970}org.ko.prototype.clone.Pig1@135fbaa4
-------
Pig1{name="佩奇", birthday=Sat Feb 16 09:11:06 CST 1991}org.ko.prototype.clone.Pig1@6d6f6e28
Pig1{name="佩奇", birthday=Sat Feb 16 09:11:06 CST 1991}org.ko.prototype.clone.Pig1@135fbaa4

如上所示，修改pig1中的birthday，pig2中的也響應(yīng)了變化，所以直接使用clone方法返回的對(duì)象中的引用變量并沒有重新創(chuàng)建而是直接復(fù)用的原有對(duì)象中的變量。

由此得出結(jié)論：clone方法默認(rèn)使用的是淺拷貝。

如果想要引用變量也全部復(fù)制？

2.深拷貝

其實(shí)深克隆只是自己實(shí)現(xiàn)了引用變量的創(chuàng)建，請(qǐng)看實(shí)現(xiàn)：

/**
 * 深克隆
 */
public class Pig2 implements Cloneable {
    private String name;

    private Date birthday;

    public Pig2(String name, Date birthday) {
        this.name = name;
        this.birthday = birthday;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Date getBirthday() {
        return birthday;
    }

    public void setBirthday(Date birthday) {
        this.birthday = birthday;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Pig2 pig2 = (Pig2) super.clone();

        //深克隆, 要自己去做對(duì)象引用的克隆
        pig2.birthday = (Date) pig2.birthday.clone();
        return pig2;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Pig1{" +
                "name="" + name + """ +
                ", birthday=" + birthday +
                "}" + super.toString();
    }
}

測試類

public class Test2 {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        //深克隆
        Date birthday = new Date(0l);

        Pig2 p1 = new Pig2("佩奇", birthday);
        Pig2 p2 = (Pig2) p1.clone();

        System.out.println(p1);
        System.out.println(p2);
        System.out.println("-------");

        p1.getBirthday().setTime(666666666666L);

        System.out.println(p1);
        System.out.println(p2);
    }
}

輸出日志

Pig2{name="佩奇", birthday=Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970}org.ko.prototype.clone.Pig2@6d6f6e28
Pig2{name="佩奇", birthday=Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970}org.ko.prototype.clone.Pig2@135fbaa4
-------
Pig2{name="佩奇", birthday=Sat Feb 16 09:11:06 CST 1991}org.ko.prototype.clone.Pig2@6d6f6e28
Pig2{name="佩奇", birthday=Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970}org.ko.prototype.clone.Pig2@135fbaa4

可以看出，修改了pig1的時(shí)間，pig2并沒有跟著響應(yīng)。所以深拷貝完成。

0x07.原型模式對(duì)單例模式的破壞

當(dāng)單例對(duì)象實(shí)現(xiàn)了clone方法時(shí)，會(huì)返回多個(gè)實(shí)例，請(qǐng)看實(shí)現(xiàn)：

/**
 * 簡單的餓漢式單例
 */
public class StaticInnerClassSingleton implements Cloneable {

    /**
     * 看靜態(tài)類的初始化鎖那個(gè)線程可以拿到
     */
    private static class InnerClass {
        private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();
    }

    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
    }

    private StaticInnerClassSingleton() {
        if (InnerClass.staticInnerClassSingleton != null) {
            throw new RuntimeException("單例對(duì)象禁止反射調(diào)用");
        }
    }

    /**
     * 直接重寫clone方法
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        //獲取單例對(duì)象
        StaticInnerClassSingleton singleton = StaticInnerClassSingleton.getInstance();
        System.out.println(singleton.toString());

        //clone獲取克隆對(duì)象
        StaticInnerClassSingleton singleton1 = (StaticInnerClassSingleton) singleton.clone();
        System.out.println(singleton1.toString());
    }
}

輸出日志

org.ko.prototype.singleton.StaticInnerClassSingleton@1540e19d
org.ko.prototype.singleton.StaticInnerClassSingleton@677327b6

根據(jù)日志可以看出，單例模式被破壞掉。

重寫clone()方法，直接返回INSTANCE對(duì)象解決原型模式對(duì)單例模式的破壞

/**
 * 簡單的餓漢式單例
 */
public class StaticInnerClassSingleton1 implements Cloneable {

    /**
     * 看靜態(tài)類的初始化鎖那個(gè)線程可以拿到
     */
    private static class InnerClass {
        private static StaticInnerClassSingleton1 staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton1();
    }

    public static StaticInnerClassSingleton1 getInstance() {
        return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
    }

    private StaticInnerClassSingleton1() {
        if (InnerClass.staticInnerClassSingleton != null) {
            throw new RuntimeException("單例對(duì)象禁止反射調(diào)用");
        }
    }

    /**
     * 修改克隆方法，返回單例對(duì)象
     * @return
     * @throws CloneNotSupportedException
     */
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
    }
}

/**
 * 修改后的測試類
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        //獲取單例對(duì)象
        StaticInnerClassSingleton1 singleton1 = StaticInnerClassSingleton1.getInstance();
        System.out.println(singleton1.toString());

        //獲取clone對(duì)象
        StaticInnerClassSingleton1 singleton2 = (StaticInnerClassSingleton1) singleton1.clone();
        System.out.println(singleton2.toString());
    }
}

輸出日志

org.ko.prototype.singleton.StaticInnerClassSingleton1@1540e19d
org.ko.prototype.singleton.StaticInnerClassSingleton1@1540e19d

可以看出，返回的對(duì)象地址時(shí)一致的。這樣就解決了原型對(duì)單例模式的破壞。

0x08.源碼地址

原型模式: https://github.com/sigmako/design-pattern/tree/master/prototype

0x09.參考

慕課網(wǎng)設(shè)計(jì)模式精講: https://coding.imooc.com/class/270.html

設(shè)計(jì)模式之原型模式: https://blog.csdn.net/chenliguan/article/details/69855738

C06 原型模式示例（六）原型模式破壞單例模式: https://blog.csdn.net/weixin_33669968/article/details/88889565

云服務(wù)器 GPU云服務(wù)器原型模式 Java設(shè)計(jì)模式之（五）——代理模式原型設(shè)計(jì) 代碼設(shè)計(jì)模式工廠模式

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