設計模式：原型模式

今天介紹原型模式，我本身偷偷給它命名爲克隆模式。由於原型模式的意圖是經過複製一個現有的對象來生成新的對象，而不是經過實例化的方式。

1、原型模式概念

     原型模式(Prototype Pattern)：使用原型實例指定建立對象的種類，而且經過拷貝這些原型建立新的對象。原型模式是一種對象建立型模式。

     該接口用於建立當前對象的克隆。當直接建立對象的代價比較大時，則採用這種模式。例如，一個對象須要在一個高代價的數據庫操做以後被建立。咱們能夠緩存該對象，在下一個請求時返回它的克隆，在須要的時候更新數據庫，以此來減小數據庫調用。

     須要注意的是經過克隆方法所建立的對象是全新的對象，它們在內存中擁有新的地址，一般對克隆所產生的對象進行修改對原型對象不會形成任何影響，每個克隆對象都是相互獨立的。經過不一樣的方式修改能夠獲得一系列類似但不徹底相同的對象。

2、原型模式結構圖

在原型模式結構圖中包含以下幾個角色：

• 抽象原型角色（Prototype）：它是聲明克隆方法的接口，是全部具體原型類的公共父類，能夠是抽象類也能夠是接口，甚至還能夠是具體實現類。
• 具體原型角色（ConcretePrototype）：它實如今抽象原型類中聲明的克隆方法，在克隆方法中返回本身的一個克隆對象。
• 客戶角色（Client）：客戶類提出建立對象的請求。

     原型模式的核心在於如何實現克隆方法，博主本人是從事Java開發，因此用Java語言提供的clone()方法來實現。學過Java語言的人都知道，全部的Java類都繼承自java.lang.Object。事實上，Object類提供一個clone()方法，能夠將一個Java對象複製一份。所以在Java中能夠直接使用Object提供的clone()方法來實現對象的克隆，Java語言中的原型模式實現很簡單。

     須要注意的是可以實現克隆的Java類必須實現一個標識接口Cloneable，表示這個Java類支持被複制。若是一個類沒有實現這個接口可是調用了clone()方法，Java編譯器將拋出一個CloneNotSupportedException異常。

克隆知足的條件

clone()方法將對象複製了一份並返還給調用者。所謂「複製」的含義與clone()方法是怎麼實現的有關。通常而言，clone()方法知足如下的描述：

• 對任何的對象x，都有：x.clone()!=x 。換言之，克隆對象與元對象不是一個對象。
• 對任何的對象x，都有：x.clone().getClass==x.getClass()，換言之，克隆對象與元對象的類型同樣。
• 若是對象x的equals()方法定於恰當的話，那麼x.clone().equals(x)應當是成立的。
  在Java語言的API中，凡是提供了clone(）方法的類，都知足上面的這些條件。Java語言的設計師在設計本身的clone()方法時，也應當遵照這三個條件。

    在理解Java原型模式以前，首先須要理解Java中的一個概念：複製/克隆。Java中的對象複製/克隆分爲淺複製和深複製。在Java語言中，數據類型分爲值類型（基本數據類型）和引用類型，值類型包括int、double、byte、boolean、char等簡單數據類型，引用類型包括類、接口、數組等複雜類型。淺克隆和深克隆的主要區別在因而否支持引用類型的成員變量的複製，下面將對二者進行詳細介紹。

3、淺克隆

    在淺克隆中，若是原型對象的成員變量是值類型，將複製一份給克隆對象；若是原型對象的成員變量是引用類型，則將引用對象的地址複製一份給克隆對象，也就是說原型對象和克隆對象的成員變量指向相同的內存地址。簡單來講，在淺克隆中，當對象被複制時只複製它自己和其中包含的值類型的成員變量，而引用類型的成員對象並無複製。下面以複製一本書爲例。

下面是Author源代碼：

public class Author {
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

下面是Book源代碼：

public class Book  implements Cloneable{
    private String bookName;
    private int price;
    private Author author;

    public Book clone() {
        Book  book=null;
        try {
            book=(Book)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return book;

    }

    public Author getAuthor() {
        return author;
    }

    public void setAuthor(Author author) {
        this.author = author;
    }

    public String getBookName() {
        return bookName;
    }

    public void setBookName(String bookName) {
        this.bookName = bookName;
    }

    public int getPrice() {
        return price;
    }

    public void setPrice(int price) {
        this.price = price;
    }
}

下面是客戶端類：

public class Client {
    public static void main(String[] args){
        Author author=new Author();
        author.setName("tengj");
        Book book=new Book();
        book.setBookName("Java設計模式");
        book.setPrice(99);
        book.setAuthor(author);
        Book book2=book.clone();
        System.out.println(book==book2);                                 // false
        System.out.println(book.getBookName() == book2.getBookName());   // true
        System.out.println(book.getAuthor() == book2.getAuthor());       // true
    }
}

    由輸出的結果能夠驗證說到的結論。由此咱們發現：雖然複製出來的對象從新在堆上開闢了內存空間，可是，對象中各屬性確保持相等。對於基本數據類型很好理解，但對於引用數據類型來講，則意味着此引用類型的屬性所指向的對象自己是相同的， 並無從新開闢內存空間存儲。換句話說，引用類型的屬性所指向的對象並無複製。由此，咱們將其稱之爲淺複製。當複製後的對象的引用類型的屬性所指向的對象也從新得以複製，此時，稱之爲深複製。

4、深克隆

     在深克隆中，不管原型對象的成員變量是值類型仍是引用類型，都將複製一份給克隆對象，深克隆將原型對象的全部引用對象也複製一份給克隆對象。簡單來講，在深克隆中，除了對象自己被複制外，對象所包含的全部成員變量也將複製。

     在Java語言中，若是須要實現深克隆，能夠經過序列化(Serialization)等方式來實現。序列化就是將對象寫到流的過程，寫到流中的對象是原有對象的一個拷貝，而原對象仍然存在於內存中。經過序列化實現的拷貝不只能夠複製對象自己，並且能夠複製其引用的成員對象，所以經過序列化將對象寫到一個流中，再從流裏將其讀出來，能夠實現深克隆。須要注意的是可以實現序列化的對象其類必須實現Serializable接口，不然沒法實現序列化操做。

仍是以複製一本書爲例。下面是Author源代碼(Author也須要實現Serializable接口!!)：

public class Author implements Serializable{
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

下面是Book源代碼（Book類須要實現Serializable接口）：

public class Book  implements Serializable{
    private String bookName;
    private int price;
    private Author author;

    public Book deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
// 寫入當前對象的二進制流
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(this);
        // 讀出二進制流產生的新對象
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return (Book) ois.readObject();
    }

    public Author getAuthor() {
        return author;
    }

    public void setAuthor(Author author) {
        this.author = author;
    }

    public String getBookName() {
        return bookName;
    }

    public void setBookName(String bookName) {
        this.bookName = bookName;
    }

    public int getPrice() {
        return price;
    }

    public void setPrice(int price) {
        this.price = price;
    }
}

下面是客戶端類：

public class DeepClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        Author author=new Author();
        author.setName("tengj");
        Book book=new Book();
        book.setBookName("Java設計模式");
        book.setPrice(99);
        book.setAuthor(author);
        Book book2=book.deepClone();
        System.out.println(book==book2);                                 // false
        System.out.println(book.getBookName() == book2.getBookName());   // false
        System.out.println(book.getAuthor() == book2.getAuthor());       // false
    }
}

從輸出結果中能夠看出，深複製不只在堆內存上開闢了空間以存儲複製出的對象，甚至連對象中的引用類型的屬性所指向的對象也得以複製，從新開闢了堆空間存儲。

5、總結

    原型模式做爲一種快速建立大量相同或類似對象的方式，在軟件開發中應用較爲普遍，不少軟件提供的複製(Ctrl + C)和粘貼(Ctrl + V)操做就是原型模式的典型應用，下面對該模式的使用效果和適用狀況進行簡單的總結。

一、主要優勢

原型模式的主要優勢以下：

• 當建立新的對象實例較爲複雜時，使用原型模式能夠簡化對象的建立過程，經過複製一個已有實例能夠提升新實例的建立效率。
• 擴展性較好，因爲在原型模式中提供了抽象原型類，在客戶端能夠針對抽象原型類進行編程，而將具體原型類寫在配置文件中，增長或減小產品類對原有系統都沒有任何影響。
• 原型模式提供了簡化的建立結構，工廠方法模式經常須要有一個與產品類等級結構相同的工廠等級結構，而原型模式就不須要這樣，原型模式中產品的複製是經過封裝在原型類中的克隆方法實現的，無須專門的工廠類來建立產品。
• 可使用深克隆的方式保存對象的狀態，使用原型模式將對象複製一份並將其狀態保存起來，以便在須要的時候使用（如恢復到某一歷史狀態），可輔助實現撤銷操做。

二、主要缺點

原型模式的主要缺點以下：

• 須要爲每個類配備一個克隆方法，並且該克隆方法位於一個類的內部，當對已有的類進行改造時，須要修改源代碼，違背了「開閉原則」。
• 在實現深克隆時須要編寫較爲複雜的代碼，並且當對象之間存在多重的嵌套引用時，爲了實現深克隆，每一層對象對應的類都必須支持深克隆，實現起來可能會比較麻煩。

三、適用場景

在如下狀況下能夠考慮使用原型模式：

• 建立新對象成本較大（如初始化須要佔用較長的時間，佔用太多的CPU資源或網絡資源），新的對象能夠經過原型模式對已有對象進行復制來得到，若是是類似對象，則能夠對其成員變量稍做修改。
• 若是系統要保存對象的狀態，而對象的狀態變化很小，或者對象自己佔用內存較少時，可使用原型模式配合備忘錄模式來實現。
• 須要避免使用分層次的工廠類來建立分層次的對象，而且類的實例對象只有一個或不多的幾個組合狀態，經過複製原型對象獲得新實例可能比使用構造函數建立一個新實例更加方便。