java设计模式——原型模式(Prototype Pattern)

概述：

       在使用原型模式时，我们需要首先创建一个原型对象，再通过复制这个原型对象来创建更多同类型的对象。需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。

 

定义：

       原型模式(Prototype Pattern)：使用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。原型模式是一种对象创建型模式。

 

结构：

• Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
• ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
• Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便。

 

UML图：

场景：比如需要群发邮件的时候，邮件的内容、主题都是一样的，只有收件人不一样而已，所以可以将邮件复制一下，然后修改一下收件人就行了，使用原型模式可以很好的解决这个问题。

 

代码分析：

/**
 * Created by **
 * 具体的原型类：邮件
 */
public class Mail implements Cloneable {
    private String receiver;
    private String title;
    private String context;

    public String getReceiver() {
        return receiver;
    }

    public void setReceiver(String receiver) {
        this.receiver = receiver;
    }

    public String getContext() {
        return context;
    }

    public void setContext(String context) {
        this.context = context;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    public Mail(){
        LogFactory.log("构造函数被执行了。。。");
    }
    public Mail(AdvTemplate template){
        this.title = template.getAvdtitle();
        this.context = template.getAvdContext();
    }

    @Override
    protected Mail clone() throws CloneNotSupportedException {
        Mail mail = null;
        if (null ==mail){
            mail = (Mail) super.clone();
        }
        return mail;
    }
}

 

/**
 * Created by **
 * 邮件的模板，所有邮件主题、内容是一样的
 */
public class AdvTemplate {
    private String Avdtitle = "xxx平台活动";
    private String AvdContext = "活动通知，恭喜你获奖1000积分";

    public String getAvdtitle(){
        return this.Avdtitle;
    }
    public String getAvdContext(){
        return this.AvdContext;
    }

}

 

客户端：

Mail mail = new Mail(new AdvTemplate());
mail.setReceiver("小明");
sendMail(mail);
Mail cloneMail = null;
try {
    cloneMail = mail.clone();
    cloneMail.setReceiver("小红");
    sendMail(cloneMail);
    boolean isSame = mail == cloneMail;
    LogFactory.log("is same :" + isSame);
    boolean attributeIsSame = mail.getTitle() == cloneMail.getTitle();
    LogFactory.log("attributeIsSame :" + attributeIsSame);
} catch (CloneNotSupportedException e) {
    e.printStackTrace();
}

public void sendMail(Mail mail) {
    LogFactory.log("标题： " + mail.getTitle() + "\t内容："+mail.getContext()+"\t收件人： " + mail.getReceiver() + "\t....发送成功！ ");
}

 

log输出：

08-18 10:57:06.461 24743-24743/? D/test: 标题： xxx平台活动    内容：活动通知，恭喜你获奖1000积分    收件人： 小明    ....发送成功！

08-18 10:57:06.461 24743-24743/? D/test: 标题： xxx平台活动    内容：活动通知，恭喜你获奖1000积分    收件人： 小红    ....发送成功！

08-18 10:57:06.461 24743-24743/? D/test: is same :false

08-18 10:57:06.461 24743-24743/? D/test: attributeIsSame :true

 

      从上述的代码中，没有看到prototype类，因为java里边已经提供了clone方法，我们只要在具体原型类里边实现接口Cloneable就可以了。

Java语言提供的clone()方法 ：

      学过Java语言的人都知道，所有的Java类都继承自java.lang.Object。事实上，Object类提供一个clone()方法，可以将一个Java对象复制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的克隆，Java语言中的原型模式实现很简单。

       需要注意的是能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法，Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。

 

一般而言，Java语言中的clone()方法满足：

• 对任何对象x，都有x.clone() != x，即克隆对象与原型对象不是同一个对象；
• 对任何对象x，都有x.clone().getClass() == x.getClass()，即克隆对象与原型对象的类型一样；
• 如果对象x的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。

为了获取对象的一份拷贝，我们可以直接利用Object类的clone()方法，具体步骤如下：

• 在派生类中覆盖基类的clone()方法，并声明为public；
• 在派生类的clone()方法中，调用super.clone()；
• 派生类需实现Cloneable接口。

此时，Object类相当于抽象原型类，所有实现了Cloneable接口的类相当于具体原型类。

 

      另外，log输出里边有 is same :false ，这个说明clone的对象跟之前的对象不再是同一个对象了，但是这个对象的属性是一样的：attributeIsSame :true  ，当然，由于我这里比较的属性是String类型的，所以会容易混淆，下面将在mail类中添加一个对象的引用属性，看看结果怎样：

新添加一个附件类：

/**
 * Created by **
 * 定义邮件的附件
 */
public class Attachment {
    // 附件名
    private String name;

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

    public String getName() {
        return name;
    }
}

 

在客户端添加这部分逻辑：

Attachment attachment = new Attachment();
//将附件添加到周报中
mail.setAttachment(attachment);

boolean attachmentIsSame = mail.getAttachment() == cloneMail.getAttachment();
LogFactory.log("attachmentIsSame :" + attachmentIsSame);

 

log输出：

08-18 11:26:48.471 29343-29343/? D/test: attachmentIsSame :true

 

      从log可以看出，附件的对象是一样的，说明我们复制的mail对象时，里边的属性是同一个对象，也就是在同一个内存区域。因此这里出现 浅克隆 和深克隆这两个概念，上述的代码都是浅克隆，下面介绍一下深克隆的内容：

       在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制。浅克隆和深克隆复制对象的区别如下图所示：

                          

 

                                           1-1 浅克隆

 

 

                           

                      

                                          1-2深克隆

       在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。下面请看代码实现：

将附件类序列化

/**
 * Created by **
 * 定义邮件的附件
 */
public class Attachment implements Serializable {
    // 附件名
    private String name;

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

    public String getName() {
        return name;
    }
}

 

邮件类序列化，然后通过流来进行克隆（deepClone方法）

/**
 * Created by **
 * 具体的原型类：邮件
 */
public class Mail implements Serializable{
    private String receiver;
    private String title;
    private String context;
    private Attachment attachment;

    public String getReceiver() {
        return receiver;
    }

    public void setReceiver(String receiver) {
        this.receiver = receiver;
    }

    public String getContext() {
        return context;
    }

    public void setContext(String context) {
        this.context = context;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    public Attachment getAttachment() {
        return attachment;
    }

    public void setAttachment(Attachment attachment) {
        this.attachment = attachment;
    }

    public Mail(){
        LogFactory.log("构造函数被执行了。。。");
    }
    public Mail(AdvTemplate template){
        this.title = template.getAvdtitle();
        this.context = template.getAvdContext();
    }

    /**
     * 深克隆
     * @return
     * @throws IOException
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    public Mail deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);
        objectOutputStream.writeObject(this);

        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(byteArrayOutputStream.toByteArray());
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream);
        Object o = objectInputStream.readObject();
        return (Mail) o;

    }

    /*@Override
    protected Mail clone() throws CloneNotSupportedException {
        Mail mail = null;
        if (null ==mail){
            mail = (Mail) super.clone();
        }
        return mail;
    }*/
}

客户端只需要修改：

cloneMail = mail.deepClone();

 

log输出：

08-18 14:30:49.279 28437-28437/? D/test: 标题： xxx平台活动    内容：活动通知，恭喜你获奖1000积分    收件人： 小明    ....发送成功！

08-18 14:30:49.319 28437-28437/? D/test: 标题： xxx平台活动    内容：活动通知，恭喜你获奖1000积分    收件人： 小红    ....发送成功！

08-18 14:30:49.319 28437-28437/? D/test: is same :false

08-18 14:30:49.319 28437-28437/? D/test: attributeIsSame :false

08-18 14:30:49.319 28437-28437/? D/test: attachmentIsSame :false

 

从log里边可以看到attachmentIsSame :false 这个说明附件类已经被重新克隆了一份，所以两个mail对象包括成员变量全部都复制了一份。

 

优点：

• 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
• 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
• 原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
• 可以使用深克隆的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，以便在需要的时候使用（如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。

 

缺点：

• 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。
• 在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的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。

 

 

适用场景：

• 创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
• 如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
• 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。

扩展：

        原型模式与备忘录模式配合使用，效果更佳噢：备忘录模式