Java设计模式-原型模式

在我们的生活中，有很多例子，都是用到了原型模式，例如：我们去配钥匙的时候，肯定先要有一个原配钥匙才可以去配钥匙；《西游记》中孙悟空可以用猴毛根据自己的形象，复制（又称“克隆”或“拷贝”）出很多跟自己长得一模一样的“分身”来；考试的试卷也是从原型试卷复制而来。今天我们一起来聊聊设计模式中的原型模式。

看这篇文章之前，如果对Java中的深拷贝和浅拷贝不了解的话，建议先阅读这篇文章：

Java 深拷贝和浅拷贝

往期文章：

• 一文弄懂访问者模式
• 如何在业务开发中使用适配器模式？
• 如何通过桥接模式重构代码？
• 如何优雅的使用策略模式
• 一文彻底了解组合模式
• Java设计模式- 工厂模式
• Java设计模式- 单例模式
• 秒懂 Java 的三种代理模式
• 依赖倒置原则：高层代码和底层代码，到底谁该依赖谁？
• 接口隔离原则：接口里的方法，你都用得到吗？
• Liskov替换原则：用了继承，子类就设计对了吗？
• 开放封闭原则：不改代码怎么写新功能？
• 设计模式原则之：单一职责原则SRP

原型模式概述

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。

原型模式的工作原理很简单：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自己来实现创建过程。由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。原型模式是一种“另类”的创建型模式，创建克隆对象的工厂就是原型类自身，工厂方法由克隆方法来实现。

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。

其结构如下图所示：

• 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。

使用场景

（1）在需要一个类的大量对象的时候，使用原型模式是最佳选择，因为原型模式是在内存中对这个对象进行拷贝，要比直接new这个对象性能要好很多，在这种情况下，需要的对象越多，原型模式体现出的优点越明显。

（2）如果一个对象的初始化需要很多其他对象的数据准备或其他资源的繁琐计算，那么可以使用原型模式。

（3）当需要一个对象的大量公共信息，少量字段进行个性化设置的时候，也可以使用原型模式拷贝出现有对象的副本进行加工处理。

通用实现方法

public abstract class Prototype {
    abstract Prototype myClone();
}

public class ConcretePrototype extends Prototype {

    private String filed;

    public ConcretePrototype(String filed) {
        this.filed = filed;
    }

    @Override
    Prototype myClone() {
        return new ConcretePrototype(filed);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return filed;
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Prototype prototype = new ConcretePrototype("abc");
        Prototype clone = prototype.myClone();
        System.out.println(clone.toString());
    }
}

abc

案例场景

每个⼈都经历过考试，从纸制版到上机答题，⼤⼤⼩⼩也有⼏百场。⽽以前坐在教室⾥答题身边的⼈都是⼀套试卷，考试的时候还能偷摸或者别⼈给发信息抄⼀抄答案。

但从⼀部分可以上机考试的内容开始，在保证⼤家的公平性⼀样的题⽬下，开始出现试题混排更有做的好的答案选项也混排。这样⼤⼤的增加了抄的成本，也更好的做到了考试的公平性。

接下来使用原型模式来实现这个需求，因为需要实现⼀个上机考试抽题的服务，因此在这⾥建造⼀个题库题⽬的场景类信息，⽤于创建选择题、问答题 。

/**
 * 单选题
 */
public class ChoiceQuestion {

    private String name;                 // 题目
    private Map<String, String> option;  // 选项；A、B、C、D
    private String key;                  // 答案；B

    public ChoiceQuestion() {
    }

    public ChoiceQuestion(String name, Map<String, String> option, String key) {
        this.name = name;
        this.option = option;
        this.key = key;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public Map<String, String> getOption() {
        return option;
    }

    public void setOption(Map<String, String> option) {
        this.option = option;
    }

    public String getKey() {
        return key;
    }

    public void setKey(String key) {
        this.key = key;
    }
}

/**
 * 解答题
 */
public class AnswerQuestion {

    private String name;  // 问题
    private String key;   // 答案

    public AnswerQuestion() {
    }

    public AnswerQuestion(String name, String key) {
        this.name = name;
        this.key = key;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public String getKey() {
        return key;
    }

    public void setKey(String key) {
        this.key = key;
    }
}

选项乱序操作⼯具包

public class Topic {

    private Map<String, String> option;  // 选项；A、B、C、D
    private String key;           // 答案；B

    public Topic() {
    }

    public Topic(Map<String, String> option, String key) {
        this.option = option;
        this.key = key;
    }

    public Map<String, String> getOption() {
        return option;
    }

    public void setOption(Map<String, String> option) {
        this.option = option;
    }

    public String getKey() {
        return key;
    }

    public void setKey(String key) {
        this.key = key;
    }
}

public class TopicRandomUtil {

    /**
     * 乱序Map元素，记录对应答案key
     * @param option 题目
     * @param key    答案
     * @return Topic 乱序后 {A=c., B=d., C=a., D=b.}
     */
    static public Topic random(Map<String, String> option, String key) {
        Set<String> keySet = option.keySet();
        ArrayList<String> keyList = new ArrayList<String>(keySet);
        Collections.shuffle(keyList);
        HashMap<String, String> optionNew = new HashMap<String, String>();
        int idx = 0;
        String keyNew = "";
        for (String next : keySet) {
            String randomKey = keyList.get(idx++);
            if (key.equals(next)) {
                keyNew = randomKey;
            }
            optionNew.put(randomKey, option.get(next));
        }
        return new Topic(optionNew, keyNew);
    }
}

这个⼯具类的操作就是将原有Map中的选型乱序操作， 也就是A的选项内容给B ， B的可能给C ，同时记录正确答案在处理后的位置信息。

克隆对象处理类

public class QuestionBank implements Cloneable {

    private String candidate; // 考生
    private String number;    // 考号

    private ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();
    private ArrayList<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();

    public QuestionBank append(ChoiceQuestion choiceQuestion) {
        choiceQuestionList.add(choiceQuestion);
        return this;
    }

    public QuestionBank append(AnswerQuestion answerQuestion) {
        answerQuestionList.add(answerQuestion);
        return this;
    }

    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBank questionBank = (QuestionBank) super.clone();
        questionBank.choiceQuestionList = (ArrayList<ChoiceQuestion>) choiceQuestionList.clone();
        questionBank.answerQuestionList = (ArrayList<AnswerQuestion>) answerQuestionList.clone();

        // 题目乱序
        Collections.shuffle(questionBank.choiceQuestionList);
        Collections.shuffle(questionBank.answerQuestionList);
        // 答案乱序
        ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = questionBank.choiceQuestionList;
        for (ChoiceQuestion question : choiceQuestionList) {
            Topic random = TopicRandomUtil.random(question.getOption(), question.getKey());
            question.setOption(random.getOption());
            question.setKey(random.getKey());
        }
        return questionBank;
    }

    public void setCandidate(String candidate) {
        this.candidate = candidate;
    }

    public void setNumber(String number) {
        this.number = number;
    }

    @Override
    public String toString() {

        StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\r\n" +
                "考号：" + number + "\r\n" +
                "--------------------------------------------\r\n" +
                "一、选择题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
            for (String key : option.keySet()) {
                detail.append(key).append("：").append(option.get(key)).append("\r\n");;
            }
            detail.append("答案：").append(choiceQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        detail.append("二、问答题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < answerQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(answerQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            detail.append("答案：").append(answerQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        return detail.toString();
    }

}

这⾥的主要操作内容有三个，分别是；

• 两个 append() ，对各项题⽬的添加。
• clone() ，这⾥的核⼼操作就是对对象的复制，这⾥的复制不只是包括了本身，同时对两个集合也做了复制。只有这样的拷⻉才能确保在操作克隆对象的时候不影响原对象。
• 乱序操作，在 list 集合中有⼀个⽅法， Collections.shuffle ，可以将原有集合的顺序打乱，输出⼀个新的顺序。在这⾥我们使⽤此⽅法对题⽬进⾏乱序操作。

初始化试卷数据

public class QuestionBankController
{
    private final QuestionBank questionBank = new QuestionBank();

    public QuestionBankController() {

        Map<String, String> map01 = new HashMap<String, String>();
        map01.put("A", "JAVA2 EE");
        map01.put("B", "JAVA2 Card");
        map01.put("C", "JAVA2 ME");
        map01.put("D", "JAVA2 HE");
        map01.put("E", "JAVA2 SE");

        Map<String, String> map02 = new HashMap<String, String>();
        map02.put("A", "JAVA程序的main方法必须写在类里面");
        map02.put("B", "JAVA程序中可以有多个main方法");
        map02.put("C", "JAVA程序中类名必须与文件名一样");
        map02.put("D", "JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来");

        Map<String, String> map03 = new HashMap<String, String>();
        map03.put("A", "变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；");
        map03.put("B", "变量不能以数字作为开头；");
        map03.put("C", "A和a在java中是同一个变量；");
        map03.put("D", "不同类型的变量，可以起相同的名字；");
        
        questionBank.append(new ChoiceQuestion("JAVA所定义的版本中不包括", map01, "D"))
                .append(new ChoiceQuestion("下列说法正确的是", map02, "A"))
                .append(new ChoiceQuestion("变量命名规范说法正确的是", map03, "B"))
                .append(new AnswerQuestion("小红马和小黑马生的小马几条腿", "4条腿"))
                .append(new AnswerQuestion("铁棒打头疼还是木棒打头疼", "头最疼"))
                .append(new AnswerQuestion("为什么好马不吃回头草", "后面的草没了"));
    }

    public String createPaper(String candidate, String number) throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBank questionBankClone = (QuestionBank) questionBank.clone();
        questionBankClone.setCandidate(candidate);
        questionBankClone.setNumber(number);
        return questionBankClone.toString();
    }
}

测试

@Test
public void test() throws CloneNotSupportedException {
    QuestionBankController questionBankController = new QuestionBankController();
    System.out.println(questionBankController.createPaper("小马", "10001"));
    System.out.println(questionBankController.createPaper("小刘", "10002"));
}

结果如下

考生：小马
考号：10001
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 ME
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 HE
D：JAVA2 EE
E：JAVA2 SE
答案：C

第2题：变量命名规范说法正确的是
A：变量不能以数字作为开头；
B：不同类型的变量，可以起相同的名字；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
答案：A

第3题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
B：JAVA程序的main方法必须写在类里面
C：JAVA程序中可以有多个main方法
D：JAVA程序中类名必须与文件名一样
答案：B

二、问答题

第1题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

第2题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第3题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼


考生：小刘
考号：10002
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：变量命名规范说法正确的是
A：变量不能以数字作为开头；
B：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：A

第2题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 HE
B：JAVA2 SE
C：JAVA2 EE
D：JAVA2 Card
E：JAVA2 ME
答案：A

第3题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
B：JAVA程序中类名必须与文件名一样
C：JAVA程序的main方法必须写在类里面
D：JAVA程序中可以有多个main方法
答案：C

二、问答题

第1题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第2题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第3题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

从结果可以看出，小马和小刘同学的试卷内容上相同的，顺序是不同的。

小结

原型设计模式的优点是便于通过克隆⽅式创建复杂对象、也可以避免重复做初始化操作、不需要与类中所属的其他类耦合等。但也有⼀些缺点如果对象中包括了循环引⽤的克隆，以及类中深度使⽤对象的克隆，都会使此模式变得异常麻烦。

终究设计模式是⼀整套的思想，在不同的场景合理的运⽤可以提升整体的架构的质量。永远不要想着去硬凑设计模式，否则将会引起过渡设计，以及在承接业务反复变化的需求时造成浪费的开发和维护成本。

初期是代码的优化，中期是设计模式的使⽤，后期是把控全局服务的搭建。不断的加强⾃⼰对全局能⼒的把控，也加深⾃⼰对细节的处理。可上可下才是⼀个程序员最佳处理⽅式，选取做合适的才是最好的选择。