设计模式之原型模式

文章目录

  • 概述
  • 克隆羊问题
  • 传统方式解决克隆羊问题
  • 传统的方式的优缺点
  • 原型模式原理结构图-uml 类图
    • 原理结构图说明
  • 原型模式解决克隆羊问题的应用实例
  • 原型模式在Spring框架中的应用
  • 深入讨论-浅拷贝和深拷贝
    • 浅拷贝的介绍
    • 深拷贝基本介绍
    • 深拷贝应用实例
    • 注意事项

概述

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，旨在通过复制现有对象来创建新对象，而无需显式地使用构造函数。这种模式允许我们创建一个原型对象，然后通过克隆这个原型来生成新的对象实例，从而避免了重复创建相似对象的开销。

原型模式的主要思想是，通过复制现有对象的状态来创建新对象，而不是从头开始重新构建对象。这对于某些对象的创建过程较为复杂，或者需要保持一致的初始状态时，是一种很有用的模式。

形象的理解：孙悟空拔出猴毛， 变出其它孙悟空

克隆羊问题

现在有一只羊 tom，姓名为: tom, 年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊 属性完全相同的 10 只羊。

传统方式解决克隆羊问题

在这里插入图片描述

bean类

package com.lh.prototype;

public class Sheep {
	
	private String name;
	private int age;
	private String color;

	public Sheep(String name, int age, String color) {
		this.name = name;
		this.age = age;
		this.color = color;
	}

	public String getName() {return name;}

	public int getAge() {return age;}

	public String getColor() {return color;}

	@Override
	public String toString() {
		return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + "]";
	}
}

客户端：(不写10个了，太多了，写5个)

package com.lh.prototype;

public class Client {

	public static void main(String[] args) {
		
		//传统的办法
		Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");
		
		Sheep sheep2 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
		Sheep sheep3 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
		Sheep sheep4 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
		Sheep sheep5 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
		
		System.out.println(sheep);
		System.out.println(sheep2);
		System.out.println(sheep3);
		System.out.println(sheep4);
		System.out.println(sheep5);
	}
}

传统的方式的优缺点

  1. 优点是比较好理解，简单易操作。
  2. 在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低
  3. 总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活
  4. 改进的思路分析
    思路：Java 中 Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone()方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是需要实现 clone 的 Java 类必须要实现一个接口 Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 =>原型模式

原型模式原理结构图-uml 类图

在这里插入图片描述

原理结构图说明

  1. Prototype : 原型类，声明一个克隆自己的接口
  2. ConcretePrototype: 具体的原型类, 实现一个克隆自己的操作
  3. Client: 让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象(属性一样）

原型模式解决克隆羊问题的应用实例

使用原型模式改进传统方式，让程序具有更高的效率和扩展性。

bean类：

package com.lh.prototype.improve;

public class Sheep implements Cloneable {

	private String name;
	private int age;
	private String color;
	public String address = "蒙古羊";
	public Sheep friend; // 是对象，测试克隆羊如何处理

	public Sheep(String name, int age, String color) {
		this.name = name;
		this.age = age;
		this.color = color;
	}

	public String getName() {return name;}

	public int getAge() {return age;}

	public String getColor() {return color;}

	public String getAddress() {return address;}

	@Override
	public String toString() {
		return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + ", address=" + address + "]";
	}

	// 克隆该实例，使用默认的clone方法来完成
	@Override
	protected Object clone() {

		Sheep sheep = null;
		try {
			sheep = (Sheep) super.clone();
		} catch (Exception e) {
			System.out.println(e.getMessage());
		}
		return sheep;
	}
}

客户端：

package com.lh.prototype.improve;

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("原型模式完成对象的创建");
		
		Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
		sheep.friend = new Sheep("jack", 2, "黑色");
		
		Sheep sheep2 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
		Sheep sheep3 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
		Sheep sheep4 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
		Sheep sheep5 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
		
		System.out.println("sheep2 =" + sheep2 + "sheep2.friend=" + sheep2.friend.hashCode());
		System.out.println("sheep3 =" + sheep3 + "sheep3.friend=" + sheep3.friend.hashCode());
		System.out.println("sheep4 =" + sheep4 + "sheep4.friend=" + sheep4.friend.hashCode());
		System.out.println("sheep5 =" + sheep5 + "sheep5.friend=" + sheep5.friend.hashCode());
		
		System.out.println("sheep2 =" + sheep2 + "sheep2.friend=" + sheep2.friend.getName());
		System.out.println("sheep3 =" + sheep3 + "sheep3.friend=" + sheep3.friend.getName());
		System.out.println("sheep4 =" + sheep4 + "sheep4.friend=" + sheep4.friend.getName());
		System.out.println("sheep5 =" + sheep5 + "sheep5.friend=" + sheep5.friend.getName());
		
	}
}

原型模式在Spring框架中的应用

  1. Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式的应用
  2. debug分析：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

上述四个图均为Spring框架中底层的原型模式细节

深入讨论-浅拷贝和深拷贝

浅拷贝的介绍

  1. 对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。

  2. 对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值

  3. 前面我们克隆羊就是浅拷贝

  4. 浅拷贝是使用默认的 clone()方法来实现
    sheep = (Sheep) super.clone();

深拷贝基本介绍

  1. 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值
  2. 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝
  3. 深拷贝实现方式 1：重写 clone 方法来实现深拷贝
  4. 深拷贝实现方式 2：通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

深拷贝应用实例

  1. 使用 重写 clone 方法实现深拷贝
  2. 使用序列化来实现深拷贝
  3. 代码演示
package com.lh.prototype.deepclone;

import java.io.Serializable;

public class DeepCloneableTarget implements Serializable,Cloneable{

	private static final long serialVersionUID = 1L;
	
	private String cloneName;
	
	private String cloneClass;
	
	//构造器
	
	public DeepCloneableTarget(String cloneName,String cloneClass) {
		this.cloneName = cloneName;
		this.cloneClass = cloneClass;
	}
	
	//因为该类的属性，都是String，因此我们这里使用默认的clone完成即可
	@Override
	protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
		// TODO Auto-generated method stub
		return super.clone();
	}
}

package com.lh.prototype.deepclone;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInput;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable {

	public String name; // String 属性
	public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget; // 引用类型

	public DeepProtoType() {
	}

	// 深拷贝，方式1：
	@Override
	protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
		Object deep = null;
		// 这里完成对基本数据类型（属性）和String的克隆
		deep = super.clone();

		// 对引用数据的克隆，需要单独处理
		DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType) deep;
		deepProtoType.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget) deepCloneableTarget.clone();

		return deepProtoType;
	}

	// 深拷贝，方式2：
	public Object deepClone() {

		// 创建流对象
		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); // 当前这个对象以对象流的方式输出

			// 反序列化
			bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
			ois = new ObjectInputStream(bis);
			DeepProtoType copy = (DeepProtoType) ois.readObject();

			return copy;
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
			return null;

		} finally {
			// 关闭流
			try {
				bos.close();
				oos.close();
				bis.close();
				ois.close();
			} catch (Exception e2) {
				// TODO: handle exception
				System.out.println(e2.getMessage());
			}
		}
	}
}

客户端：

package com.lh.prototype.deepclone;

public class Client {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		DeepProtoType p = new DeepProtoType();
		p.name = "曹操";
		p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("曹仁", "曹洪");

		// 方式1 完成深拷贝
		DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
		System.out.println("p.name=" + p.name + "\tp.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
		System.out.println("p2.name=" + p.name + "\tp2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());

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

		// 方式2 完成深拷贝
		DeepProtoType p3 = (DeepProtoType) p.clone();
		System.out.println("p.name=" + p.name + "\tp.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
		System.out.println("p3.name=" + p.name + "\tp2.deepCloneableTarget=" + p3.deepCloneableTarget.hashCode());

	}
}

原型模式的深拷贝会将对象的所有属性值进行拷贝，并将拷贝的值放入新的内存地址中，从而创建一个完全独立的新对象，原对象和新对象之间不共享任何引用关系。这样做的目的是为了创建一个与原对象相似但完全独立的对象，使得对新对象的修改不会影响原对象，反之亦然。

深拷贝的实现方式通常涉及递归地遍历对象的属性，对每个属性值进行拷贝，并确保拷贝的属性值也是深拷贝。这可以确保对象中的所有嵌套属性都得到正确地复制。

注意事项

需要注意的是，深拷贝可能会涉及到一些性能和复杂性方面的考虑，特别是当对象的结构很复杂，包含循环引用或大量数据时。在实际使用中，可以选择使用不同的深拷贝实现方法，例如递归拷贝、序列化和反序列化，或者使用专门的深拷贝库来处理这些情况。

  1. 创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率
  2. 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
  3. 如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码
  4. 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码
  5. 缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改
    其源代码，违背了 ocp 原则，这点请大家注意.

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