原创作者： chenssy
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以前听过这样一句话：“程序员的最高境界就是Ctrl+C、Ctrl+V”，我们先不论这句话的对错，就论这个过程，这个过程我们都知道无非就是复制一个对象，然后将其不断地粘贴。这样的过程我们可以将其称之为“克隆”。再如我们应聘的时候打印了那么多的简历。
克隆我们都清楚，就是用一个物体复制若干个一模一样物体。同样，在面向对象系统中，我们同样可以利用克隆技术来克隆出若干个一模一样的对象。在应用程序中，有些对象比较复杂，其创建过程过于复杂，而且我们又需要频繁的利用该对象，如果这个时候我们按照常规思维new该对象，那么务必会带来非常多的麻烦，这个时候我们就希望可以利用一个已有的对象来不断对他进行复制就好了，这就是编程中的“克隆”。这里原型模式就可以满足我们的“克隆”，在原型模式中我们可以利用过一个原型对象来指明我们所要创建对象的类型，然后通过复制这个对象的方法来获得与该对象一模一样的对象实例。这就是原型模式的设计目的。
一、模式定义
一、模式定义
通过前面的简单介绍我们就可以基本确定原型模式的定义了。所谓原型模式就是用原型实例指定创建对象的种类，并且通过复制这些原型创建新的对象。
在原型模式中，所发动创建的对象通过请求原型对象来拷贝原型对象自己来实现创建过程，当然所发动创建的对象需要知道原型对象的类型。这里也就是说所发动创建的对象只需要知道原型对象的类型就可以获得更多的原型实例对象，至于这些原型对象时如何创建的根本不需要关心。
讲到原型模式了，我们就不得不区分两个概念：深拷贝、浅拷贝。
浅拷贝：使用一个已知实例对新创建实例的成员变量逐个赋值，这个方式被称为浅拷贝。
深拷贝：当一个类的拷贝构造方法，不仅要复制对象的所有非引用成员变量值，还要为引用类型的成员变量创建新的实例，并且初始化为形式参数实例值。
对于深拷贝和浅拷贝的详细情况，请参考这里：渐析java的浅拷贝和深拷贝
二、模式结构
二、模式结构
下图是原型模式的UML结构图：
原型模式主要包含如下三个角色：
Prototype：抽象原型类。声明克隆自身的接口。
ConcretePrototype：具体原型类。实现克隆的具体操作。
Client：客户类。让一个原型克隆自身，从而获得一个新的对象。
我们都知道Object是祖宗，所有的Java类都继承至Object，而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，因此在java中可以直接使用clone()方法来复制一个对象。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体复制的能力，如果不实现该接口而直接调用clone()方法会抛出CloneNotSupportedException异常。如下：
public class PrototypeDemo implements Cloneable{
public Object clone(){
Object object = null;
try {
object = super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException exception) {
System.err.println("Not support cloneable");
}
return object;
}
……
}
Java中任何实现了Cloneable接口的类都可以通过调用clone()方法来复制一份自身然后传给调用者。一般而言，clone()方法满足：
(1) 对任何的对象x，都有x.clone() !=x，即克隆对象与原对象不是同一个对象。
(2) 对任何的对象x，都有x.clone().getClass()==x.getClass()，即克隆对象与原对象的类型一样。
(3) 如果对象x的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。
三、模式实现
三、模式实现
public abstract class Prototype implements Cloneable {
protected ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
@Override
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
public abstract void show();
}
public class ShallowClone extends Prototype {
@Override
public Prototype clone(){
Prototype prototype = null;
try {
prototype = (Prototype)super.clone();
}
catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return prototype;
}
@Override
public void show(){
System.out.println("浅克隆");
}
}
public class DeepClone extends Prototype {
@SuppressWarnings("unchecked")
@Override
public Prototype clone() {
Prototype prototype = null;
try {
prototype = (Prototype)super.clone();
}
catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
prototype.list = (ArrayList<String>) this.list.clone();
return prototype;
}
@Override
public void show(){
System.out.println("深克隆");
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
ShallowClone cp = new ShallowClone();
ShallowClone clonecp = (ShallowClone) cp.clone();
clonecp.show();
System.out.println(clonecp.list == cp.list);
DeepClone cp2 = new DeepClone();
DeepClone clonecp2 = (DeepClone) cp2.clone();
clonecp2.show();
System.out.println(clonecp2.list == cp2.list);
}
}
运行结果：
浅克隆
true
深克隆
false
四、模式优缺点
优四、模式优缺点点
1、如果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、可以使用深克隆保持对象的状态。
3、原型模式提供了简化的创建结构。
缺点
1、在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码。
2、需要为每一个类配备一个克隆方法，而且这个克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，不一定是件容易的事，必须修改其源代码，违背了“开闭原则”。
五、模式使用场景
1、如果创建新对象成本较大，我们可以利用已有的对象进行复制来获得。
2、如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占内存不大的时候，也可以使用原型模式配合备忘录模式来应用。相反，如果对象的状态变化很大，或者对象占用的内存很大，那么采用状态模式会比原型模式更好。
3、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。
六、模式总结
1、原型模式向客户隐藏了创建对象的复杂性。客户只需要知道要创建对象的类型，然后通过请求就可以获得和该对象一模一样的新对象，无须知道具体的创建过程。
2、克隆分为浅克隆和深克隆两种。
3、我们虽然可以利用原型模式来获得一个新对象，但有时对象的复制可能会相当的复杂，比如深克隆。
clone方法浅拷贝问题：
Java中对象的克隆,为了获取对象的一份拷贝，我们可以利用Object类的clone()方法。Object类里的clone方法是浅拷贝。
必须要遵循下面三点：
1.在派生类中覆盖基类的clone()方法，并声明为public【Object类中的clone()方法为protected的】。
2.在派生类的clone()方法中，调用super.clone()。
3.在派生类中实现Cloneable接口。
先看以下代码：
public class Person implements Cloneable{
/** 姓名 **/
private String name;
/** 电子邮件 **/
private Email email;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Email getEmail() {
return email;
}
public void setEmail(Email email) {
this.email = email;
}
public Person(String name,Email email){
this.name = name;
this.email = email;
}
public Person(String name){
this.name = name;
}
protected Person clone() {
Person person = null;
try {
person = (Person) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return person;
}
}
public class Email {
private Object name;
private String content;
public Email(Object name, String content) {
this.name = name;
this.content = content;
}
public String getContent() {
return content;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public Object getName() {
return name;
}
public void setName(Object name) {
this.name = name;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//写封邮件
Email email = new Email("请参加会议","请与今天12:30到二会议室参加会议...");
Person person1 = new Person("张三",email);
Person person2 = person1.clone();
person2.setName("李四");
Person person3 = person1.clone();
person3.setName("王五");
System.out.println(person1.getName() + "的邮件内容是：" + person1.getEmail().getContent());
System.out.println(person2.getName() + "的邮件内容是：" + person2.getEmail().getContent());
System.out.println(person3.getName() + "的邮件内容是：" + person3.getEmail().getContent());
}
}
--------------------
Output:
张三的邮件内容是：请与今天12:30到二会议室参加会议...
李四的邮件内容是：请与今天12:30到二会议室参加会议...
王五的邮件内容是：请与今天12:30到二会议室参加会议...
在该应用程序中，首先定义一封邮件，然后将该邮件发给张三、李四、王五三个人，由于他们是使用相同的邮件，并且仅有名字不同，所以使用张三该对象类拷贝李四、王五对象然后更改下名字即可。程序一直到这里都没有错，但是如果我们需要张三提前30分钟到，即把邮件的内容修改下：
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//写封邮件
Email email = new Email("请参加会议","请与今天12:30到二会议室参加会议...");
Person person1 = new Person("张三",email);
Person person2 = person1.clone();
person2.setName("李四");
Person person3 = person1.clone();
person3.setName("王五");
person1.getEmail().setContent("请与今天12:00到二会议室参加会议...");
System.out.println(person1.getName() + "的邮件内容是：" + person1.getEmail().getContent());
System.out.println(person2.getName() + "的邮件内容是：" + person2.getEmail().getContent());
System.out.println(person3.getName() + "的邮件内容是：" + person3.getEmail().getContent());
}
}
在这里同样是使用张三该对象实现对李四、王五拷贝，最后将张三的邮件内容改变为：请与今天12:00到二会议室参加会议...。但是结果是：
张三的邮件内容是：请与今天12:00到二会议室参加会议...
李四的邮件内容是：请与今天12:00到二会议室参加会议...
王五的邮件内容是：请与今天12:00到二会议室参加会议...
这里我们就有疑惑为什么李四和王五的邮件内容也发生改变了呢？其实出现问题的关键就在于clone()方法上面，我们知道clone()方法是使用Object类的clone()方法，但是该方法存在一个缺陷，他并不会将对象的所有属性全部拷贝过来，而是有选择性的拷贝，基本规则如下：
（1）基本类型：
如果变量是基本类型，则拷贝其值，比如Int、float等。
（2）对象：
如果变量是一个实例对象，则拷贝其地址引用，也就是说此时新对象与原来对象是公用该实例变量。
（3）String字符串：
如果变量为String字符串，则拷贝其引用地址，但是在修改的时候，它会从字符串池中重新生成一个新的字符串，原有的字符串对象保持不变。
基于上面上面的规则，我们很容易发现问题的所在，他们三者公用一个对象，张三修改了该邮件内容，则李四和王五也会修改，所以才会出现上面的情况。对于这种情况我们还是可以解决的，只需要在clone()方法里面新建一个对象，然后张三引用该对象即可（深拷贝）：
protected Person clone() {
Person person = null;
try {
person = (Person) super.clone();
person.setEmail(new Email(person.getEmail().getObject(),person.getEmail().getContent()));
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return person;
}
所以：浅拷贝只是Java提供的一种简单的拷贝机制，不便于直接使用。
对于上面的解决方案还是存在一个问题，若我们系统中存在大量的对象是通过拷贝生成的，如果我们每一个类都写一个clone()方法，并将还需要进行深拷贝，新建大量的对象，这个工程是非常大的，这里我们可以利用序列化来实现对象的拷贝。
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