Java 深入理解创建型设计模式之原型模式

1.思考问题

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。

按照传统的思路来，我们可能会按照下面的方式去写。

那么这种写法的优缺点自然而然就出来了：

• 优点是比较好理解，简单易操作。
• 缺点是在创建新的对象时，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。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。
• 改进的思路分析：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。

2.什么是原型模式？

• 原型模式(Prototype模式)是指:  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。
• 原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节。
• 工作原理是:  通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即对象.clone()。

原型模式相关的类图如下：

3.克隆羊多莉案例代码（浅拷贝）

这里由于我是新建的普通Java项目，并不是maven项目，所以没法加lombok依赖。那么这里的构造器、setter/getter方法显得这个类的篇幅比较长。。。

package com.szh.prototype.shallowclone;
 
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private Integer age;
    private String color;
    private Sheep friend;
 
    public Sheep(String name, Integer age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
 
    public Sheep(String name, Integer age, String color, Sheep friend) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
        this.friend = friend;
    }
 
    public String getName() {
        return name;
    }
 
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
 
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
 
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
 
    public String getColor() {
        return color;
    }
 
    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }
 
    public Sheep getFriend() {
        return friend;
    }
 
    public void setFriend(Sheep friend) {
        this.friend = friend;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return \"Sheep{\" +
                \"name=\'\" + name + \'\\\'\' +
                \", age=\" + age +
                \", color=\'\" + color + \'\\\'\' +
                \", friend=\" + friend +
                \'}\';
    }
 
    //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 (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        return sheep;
    }
}

package com.szh.prototype.shallowclone;
 
public class MainTest {
    public static void main(String[] args) {
        Sheep sheep = new Sheep(\"多莉\",5,\"黑白相间\",new Sheep(\"喜羊羊\",1,\"白色\"));
 
        Sheep sheep2 = (Sheep) sheep.clone();
        Sheep sheep3 = (Sheep) sheep.clone();
        Sheep sheep4 = (Sheep) sheep.clone();
        Sheep sheep5 = (Sheep) sheep.clone();
 
        System.out.println(sheep + \"  sheep.friend.hashCode = \" + sheep.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep2 + \"  sheep2.friend.hashCode = \" + sheep2.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep3 + \"  sheep3.friend.hashCode = \" + sheep3.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep4 + \"  sheep4.friend.hashCode = \" + sheep4.getFriend().hashCode());
        System.out.println(sheep5 + \"  sheep5.friend.hashCode = \" + sheep5.getFriend().hashCode());
    }
}

从上面的运行结果中可以看到，Sheep类中的前三个成员属性都可以成功的拷贝，但是最后一个friend，它表示羊的朋友（也是Sheep类型，就是引用类型了）。而当我们拷贝完成之后，应该来说都是不一样的新的对象，但是它们中的friend属性的hashCode居然是一样的！！！    这里我们就要来聊一聊深拷贝和浅拷贝了。

浅拷贝：

• 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。
• 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。
• 前面我们克隆羊就是浅拷贝。浅拷贝是使用默认的clone()方法来实现：sheep= (Sheep) super.clone();

深拷贝：

• 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值。
• 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。
• 深拷贝实现方式1:  重写clone方法来实现深拷贝。
• 深拷贝实现方式2:  通过对象序列化实现深拷贝(推荐)。

4.深拷贝代码案例

package com.szh.prototype.deepclone;
 
import java.io.Serializable;
 
public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {
 
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String cloneName;
    private String cloneClass;
 
    public DeepCloneableTarget(String cloneName, String cloneClass) {
        this.cloneName = cloneName;
        this.cloneClass = cloneClass;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return \"DeepCloneableTarget{\" +
                \"cloneName=\'\" + cloneName + \'\\\'\' +
                \", 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 {
        return super.clone();
    }
}

package com.szh.prototype.deepclone;
 
import java.io.*;
 
public class DeepPrototype implements Serializable, Cloneable {
 
    public String name; //String 属性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型
 
    public DeepPrototype() {
        super();
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return \"DeepPrototype{\" +
                \"name=\'\" + name + \'\\\'\' +
                \", deepCloneableTarget=\" + deepCloneableTarget +
                \'}\';
    }
 
    //深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object deep = null;
        deep = super.clone();
        DeepPrototype deepPrototype = (DeepPrototype) deep;
        deepPrototype.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget) deepCloneableTarget.clone();
        return deepPrototype;
    }
 
    //深拷贝 - 方式2 通过对象的序列化实现 (推荐)
    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);
 
            //反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepPrototype copyObj = (DeepPrototype) ois.readObject();
            return copyObj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            //关闭流
            try {
                ois.close();
                bis.close();
                oos.close();
                bos.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
}

package com.szh.prototype.deepclone;
 
public class MainTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DeepPrototype prototype = new DeepPrototype();
        prototype.name = \"张起灵\";
        prototype.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget(\"小哥\",\"闷油瓶\");
 
        //方式1 完成深拷贝
        DeepPrototype prototype2 = (DeepPrototype) prototype.clone();
        System.out.println(\"方式1 完成深拷贝\");
        System.out.println(\"prototype.name = \" + prototype.name + \", prototype.deepCloneableTarget = \" + prototype.deepCloneableTarget);
        System.out.println(\"prototype.deepCloneableTarget.hashCode = \" + prototype.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println(\"-------------------------------------------------------\");
        System.out.println(\"prototype2.name = \" + prototype2.name + \", prototype2.deepCloneableTarget = \" + prototype2.deepCloneableTarget);
        System.out.println(\"prototype2.deepCloneableTarget.hashCode = \" + prototype2.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println(\"==============================================================================\");
 
        //方式2 完成深拷贝
        DeepPrototype prototype3 = (DeepPrototype) prototype.deepClone();
        System.out.println(\"方式2 完成深拷贝\");
        System.out.println(\"prototype.name = \" + prototype.name + \", prototype.deepCloneableTarget = \" + prototype.deepCloneableTarget);
        System.out.println(\"prototype.deepCloneableTarget.hashCode = \" + prototype.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println(\"-------------------------------------------------------\");
        System.out.println(\"prototype3.name = \" + prototype3.name + \", prototype3.deepCloneableTarget = \" + prototype3.deepCloneableTarget);
        System.out.println(\"prototype3.deepCloneableTarget.hashCode = \" + prototype3.deepCloneableTarget.hashCode());
    }
}

5.原型模式总结

• 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。
• 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态。
• 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。
• 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码。
• 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。