一、什么是原型模式
还记不记得初高中学生物的时候，细胞分裂时怎么实现的，一个细胞无论是细胞核分裂还是细胞质分裂，是不是都是通过克隆自身实现的。或者说我们去复印资料的时候，是不是直接对原本的资料进行复印，得到了一个一模一样的资料，这些都可以说是原型模式，下面看一下定义。
原型模式（Prototype） ，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。UML结构图如下：
其中，Prototype为原型类，声明一个克隆自身的接口；ConcretePrototype为具体实现类，实现一个克隆自身的操作；而客户端Client只需让一个原型克隆自身，从而创建一个新的对象。
1. Prototype
public abstract class Prototype implements Cloneable {
private String id;
public Prototype(String id) {
this.id = id;
}
public String getId() {
return id;
}
@Override
public Prototype clone() {
Prototype prototype = null;
try {
prototype = (Prototype) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return prototype;
}
}
2. ConcretePrototype
创建当前对象的浅表副本。
public class ConcretePrototype extends Prototype {
public ConcretePrototype(String id) {
super(id);
}
}
3. Client
public class Client {
public static void main(String[] args) {
ConcretePrototype p1 = new ConcretePrototype("Hello");
ConcretePrototype c1 = (ConcretePrototype) p1.clone();
System.out.println(c1.getId());
}
}
运行结果为“Hello”，此时ConcretePrototype的对象p1得到了新的实例c1。
二、原型模式的应用
1. 何时使用
- 当一个系统应该独立于它的产品创建、构成和表示时。
- 当要实例化的类是在运行时刻指定时（如动态装载）。
- 为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。
- 当一个类的实例只能有几种几个不同状态组合中的一种时。
2. 优点
- 性能优良。不用重新初始化对象，而是动态地获取对象运行时的状态。
- 逃避构造函数的约束。
3. 缺点
- 配置克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑。
- 必须实现Cloneable接口。
4. 使用场景
- 资源优化场景。
- 性能和安全要求的场景。
- 一个对象多个修改者的场景。
- 一般与工厂方法模式一起出现，通过clone方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。
5. 应用实例
- 细胞分裂
- Java中的Object.clone()方法
- 复印
三、原型模式的实现
下面我们创建一个抽象类和扩展了它的实体类，即图形类与圆形、矩形、三角形。之后再通过一个cache类将对象存储在一个Hashtable中，并在请求的时候返回它们的克隆。UML图如下：
1. Shape类
创建一个实现了Cloneable接口的抽象类。
public abstract class Shape implements Cloneable {
private String id;
protected String type;
public abstract void draw();
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
public String getType() {
return type;
}
@Override
public Shape clone() {
Shape prototype = null;
try {
prototype = (Shape) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return prototype;
}
}
2. 实现类
创建扩展了上面抽象类的实现类，这里以Circle为例。
public class Circle extends Shape {
public Circle() {
type = "圆形";
}
@Override
public void draw() {
System.out.println("圆形类的draw方法");
}
}
3. ShapeCache
获取实体类，并存于Hashtable中。
public class ShapeCache {
private static Hashtable<String, Shape> shapeMap = new Hashtable<>();
public static Shape getShape(String shapeId) {
Shape shape = shapeMap.get(shapeId);
return shape.clone();
}
//添加三种图形
public static void loadCache() {
Circle circle = new Circle();
circle.setId("1");
shapeMap.put(circle.getId(), circle);
Triangle triangle = new Triangle();
triangle.setId("2");
shapeMap.put(triangle.getId(), triangle);
Rectangle rectangle = new Rectangle();
rectangle.setId("3");
shapeMap.put(rectangle.getId(), rectangle);
}
}
4. Client客户端
public class Client {
public static void main(String[] args) {
ShapeCache.loadCache();
Shape clonedShape = ShapeCache.getShape("1");
System.out.println("图形：" + clonedShape.getType());
Shape clonedShape2 = ShapeCache.getShape("2");
System.out.println("图形：" + clonedShape2.getType());
Shape clonedShape3 = ShapeCache.getShape("3");
System.out.println("图形：" + clonedShape3.getType());
}
}
运行结果如下：
四、浅复制与深复制
在上述代码中，对象里的数据都是String类型的，而String是一种拥有值类型特点的特殊引用类型，在使用clone()方法时，原始对象及其复本引用同一对象。也就是说，如果类中有对象引用，那么引用的对象数据时不会被克隆过来的。这就叫做“浅复制”。
“浅复制”指，被复制的对象的所有变量都含有与原来的对象相同的值，而所有的其他对象的引用都仍然指向原来的对象。
但我们可能更需要这样一种需求，把要赋值的对象所引用的对象都复制一遍。这种方式就是“深复制”。方法是对私有变量进行独立的复制。
“深复制”指，把引用对象的变量指向复制过的新对象，而不是原有的被引用的对象。
下面看一个例子。
1. Client客户端
先将客户端内容放上，深复制与浅复制只需修改注释即可。
public class TestClient {
public static void main(String[] args) {
//产生对象
// ShallowCopy copy = new ShallowCopy();
DeepCopy copy = new DeepCopy();
copy.setValue("张三");
//拷贝对象
// ShallowCopy cloneCopy = copy.clone();
DeepCopy cloneCopy = copy.clone();
cloneCopy.setValue("李四");
System.out.println(copy.getvalue());
}
}
2. 浅复制
public class ShallowCopy implements Cloneable {
private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
@Override
public ShallowCopy clone() {
ShallowCopy sCopy = null;
try {
sCopy = (ShallowCopy) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
return sCopy;
}
//set
public void setValue(String value) {
this.arrayList.add(value);
}
//get
public ArrayList<String> getvalue() {
return this.arrayList;
}
}
在客户端中运行结果如下：
这里之所以出现了“李四”，是因为Java做了一个偷懒的复制动作，Object类提供的方法clone只是复制本对象，其对象内部的数组、引用对象等都不复制，还是指向原先对象的内部元素地址，这种复制就叫浅复制。两个对象共享了一个私有变量，是一种非常不安全的方式，大家都可以进行更改。
3. 深复制
public class DeepCopy implements Cloneable {
private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
@Override
public DeepCopy clone() {
DeepCopy dCopy = null;
try {
dCopy = (DeepCopy) super.clone();
//增加这行
dCopy.arrayList = (ArrayList<String>) this.arrayList.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
return dCopy;
}
//set
public void setValue(String value) {
this.arrayList.add(value);
}
//get
public ArrayList<String> getvalue() {
return this.arrayList;
}
}
在客户端中运行结果如下：
仅仅增加了注释下的那一行代码，对私有的类变量进行独立的复制，这样就完成了完全的复制，两个对象间没有任何联系，各自修改互不影响，这就叫深复制。深复制还有一种实现方式是通过自己写二进制流来操作对象，然后实现对象的深复制。
