原型模式定义

在使用原型模式时，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。原型模式的定义如下：使用原型实例指定创建创建对象的种类，并且通过克隆这些原型创建新的对象。原型模式时一种对象创建型模式。

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不会对原型对象造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的；
通过不同的方式对克隆对象进行修改之后，可以得到一系列相似单不完全相同的对象。

原型模式的结构如下图所示：

原型模式类图.png

从上图可以看出，在原型模式结构图中包含以下3个角色。

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，甚至还可以是具体的实现类。
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，在客户类中需要直接实例化或者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，增加和更换具体原型类都很方便。

实现方式

原型模式的核心在于如何实现克隆方法，下面将介绍两种在java语言中常用的克隆实现方法。

通用实现方法

通用的克隆实现方法是在具体原型类的克隆方法中实例化一个与自身类型相同的对象并将其返回，并将相关的参数传入新创建的对象中，保证它们的成员变量相同。如下代码所示：

class ConcretePrototype implements Prototype {
    private String attr; //成员变量
    
    public void setAttr(String attr) {
        this.attr = attr;
    }
    
    //克隆方法
    public Prototype clone() {
        Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
        prototype.setAttr(this.attr);
        return prototype;
    }
}

在客户类中只需要创建一个ConcretePrototype 对象作为原型对象，然后调用其clone() 方法即可得到对应的克隆对象，代码如下：

    Prototype obj1 = new ConcretePrototype();
    obj1.setAttr("sunny");
    Prototype obj2 = obj1.clone();

这种方法可以作为原型模式的通用实现，它与编程语言特性无关，任何面向对象语言都可以使用这种形式来实现对原型的克隆。

Java 语言提供的clone()方法

所有的java类都继承自java.lang.Object。事实上，Object 类提供了一个clone() 方法,可以将一个Java 对象克隆一份。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。代码如下：

    class ConcretePrototype implements Cloneable {
        ...
        public Prototype clone() {
            Object object = null;
            
            try {
                object = super.clone();
            } catch (CloneNotSupportedException exception) {
                System.err.printIn("Not support cloneable");
            }
            
            return (Prototype)object;
        }
        ...
    }

在客户端创建原型对象和克隆对象也很简单，代码如下：

Prototype obj1 = new ConcretePrototype();
Prototype obj2 = obj1.clone();

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克隆，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。

浅克隆与深克隆

在Java 语言中，数据类型分为值类型（基本数据类型）和引用类型，值类型包括int、double、byte、boolean、char 等简单数据类型，引用类型包括类、接口、数组、等复杂类型。浅拷贝和深拷贝的主要区别在于是否支持引用类型的成员变量和复制。

浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制了它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有被复制，如下图所示：

浅克隆.png

在Java语言中，通过覆盖Object类的clone() 方法可以实现浅克隆。

深克隆

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，豆浆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被复制，如下图所示

深克隆.png

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复制品，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的复制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入到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。

注意：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。

下面整理下深克隆的写入和写出的代码：

    public clone() {
        //将对象写入流中
        ByteArrayOutputStream bao = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bao);
        oos.writeObject(this);
        
        //将对象从流中取出来
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return ois.readObject(); //注意，这里要将readObject的返回值强转为具体的原型对象类型。
    }

深克隆技术实现了原型对象和克隆对象的完全独立，对任意克隆对象的修改都不会给其他对象产生影响，是一种更理想的克隆实现方式。

原型模式总结

原型模式作为一种快速创建大量相同或相似对象的方式，在软件开发中应用较为广泛，很多软件提供的复制（Ctrl + C）和粘贴（Ctrl + V）操作就是原型模式的典型应用，下面对该模式的使用效果和适用场景进行简单总结。

1. 主要优点

原型模式的主要优点如下：

1、当创建新的对象实例比较复杂时，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。

2、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，增加或减少具体原型类对原油系统都没有任何影响。

3、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，而原型模式久不需要这样，原型模式中产品的复制时通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无需专门的工厂类来创建产品。

4、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，例如恢复到某一历史状态，可辅助实现撤销操作。

2. 主要缺点

原型模式的主要缺点如下：

1、需要为每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。

2、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，实现起来可能比较麻烦。

使用场景

在以下情况下可以考虑使用原型模式：

1、创建新对象成本较大（例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，如果时相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。

2、如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，活着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。

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肯能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。