1. 简介

1.1 定义

如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式（Prototype Design Pattern），简称原型模式。

1.2 那何为“对象的创建成本比较大”？

实际上，创建对象包含的申请内存、给成员变量赋值这一过程，本身并不会花费太多时间，或者说对于大部分业务系统来说，这点时间完全是可以忽略的。应用一个复杂的模式，只得到一点点的性能提升，这就是所谓的过度设计，得不偿失。

但是，如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从 RPC、网络、数据库、文件系统等非常慢速的 IO 中读取，这种情况下，我们就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作。

2 需求：克隆羊问题

有一只羊名字:tom, 年龄:1岁,颜色:白色。现在需要创建出10只这样的羊。

假如一种羊的创建过程很繁琐

package com.evan.prototype.demo;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;

/**
 * @Description
 * @ClassName Sheep
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:10
 */
@Data
@AllArgsConstructor
public class Sheep {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
}

package com.evan.prototype.demo;

/**
 * @Description
 * @ClassName Main
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:11
 */
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        //传统的方法
        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);
        //...
    }
}

传统方式的优缺点

1. 优点：比较好理解，简单容易操作
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,该按口表示该类能够复制且具有复制的能力 => 原型模式

3 原型模式

1. 原型模式(Prototype模式)：我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。
2. 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
3. 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.cone()

package com.evan.prototype.improve;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;

/**
 * @Description
 * @ClassName Sheep
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:10
 */
@Data
@AllArgsConstructor
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private String address = "蒙古羊";
    public Sheep friend; //是对象, 克隆是会如何处理

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

    //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;
    }
}

package com.evan.prototype.improve;

/**
 * @Description
 * @ClassName Client
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:29
 */
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());
    }

}

4 浅拷贝和深拷贝

4.1 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()

4.2 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
   • 方式一：重写clone方法来实现深拷贝
   • 方式二：通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

在 Java 语言中，Object 类的 clone() 方法执行的就是我们刚刚说的浅拷贝。它只会拷贝对象中的基本数据类型的数据（比如，int、long），以及引用对象（SearchWord）的内存地址，不会递归地拷贝引用对象本身。

4.2.1 深度拷贝的demo

package com.evan.prototype.deepclone;

import java.io.Serializable;

/**
 * @Description
 * @ClassName DeepCloneableTarget
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:35
 */
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 {
        return super.clone();
    }
}

package com.evan.prototype.deepclone;

import java.io.*;

/**
 * @Description
 * @ClassName DeepProtoType
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:36
 */
public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable{

    public String name; //String 属性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型
    public DeepProtoType() {
        super();
    }


    //深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
    @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();
        //对引用类型的属性，进行单独处理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget  = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();

        // TODO Auto-generated method stub
        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); //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 copyObj = (DeepProtoType)ois.readObject();

            return copyObj;

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            //关闭流
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }

    }

}

可以发现深度拷贝有两种方法。

• 第一种方法：递归拷贝对象、对象的引用对象以及引用对象的引用对象……直到要拷贝的对象只包含基本数据类型数据，没有引用对象为止。根据这个思路对之前的代码进行重构。对应代码方式一。
• 第二种方法：先将对象序列化，然后再反序列化成新的对象。对应代码方式二。

package com.evan.prototype.deepclone;

/**
 * @Description
 * @ClassName Client
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 01:37
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        DeepProtoType p = new DeepProtoType();
        p.name = "宋江";
        p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");

        //方式1 完成深拷贝

//		DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
//
//		System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
//		System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());

        //方式2 完成深拷贝
        DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.deepClone();

        System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());

    }

}

刚刚的两种实现方法，不管采用哪种，深拷贝都要比浅拷贝耗时、耗内存空间。针对我们这个应用场景，有没有更快、更省内存的实现方式呢？

5 原型模式的注意事项和细节

1. 如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式，来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式，简称原型模式。
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. 在实现深克降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。
6. 与通过对一个类进行实例化来构造新对象不同的是，原型模式是通过拷贝一个现有对象生成新对象的。浅拷贝实现 Cloneable重写，深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流。