设计模式(5/23) - 原型模式

原型模式

1 概述

• 原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式之一。
• 这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。

2 优缺点及应用场景

2.1 优点

• 1）性能提升：通过克隆对象来创建新对象，比直接实例化新对象更高效。
• 2）动态扩展：可以在运行时动态地创建对象，无需预先知道对象的具体类型。
• 3）减少子类：不需要为每一个对象都创建一个子类，通过克隆方法可以创建多种对象。

2.2 缺点

• 1）复杂性增加：需要实现克隆方法，尤其是涉及深拷贝时，会增加实现的复杂性。
• 2）潜在的安全问题：克隆方法可能会被滥用，导致不必要的对象创建。

2.3 应用场景

• 1）Java 中的 Object.clone() 方法。
• 2）需要频繁创建相似对象的场景，例如大型游戏中的单位或道具。
• 3）希望避免对象的初始化过程，并且可以快速生成对象的场景。
• 4）系统中存在大量具有相同属性的对象，可以通过原型模式减少创建对象的成本。

3 结构

• 1）原型接口（Prototype Interface）：定义一个用于克隆自身的接口，通常包括一个 clone() 方法。
• 2）具体原型类（Concrete Prototype）：实现原型接口的具体类，负责实际的克隆操作。这个类需要实现 clone() 方法，通常使用浅拷贝或深拷贝来复制自身。
• 3）客户端（Client）：使用原型实例来创建新的对象。客户端调用原型对象的 clone() 方法来创建新的对象，而不是直接使用构造函数。

4 实现

4.1 UML 类图

4.2 代码示例

// 创建一个实现了 Cloneable 接口的抽象类
abstract class Shape implements Cloneable {
  private String id;
  protected String type;

  abstract void draw();

  public String getType() {
    return type;
  }

  public String getId() {
    return id;
  }

  public void setId(String id) {
    this.id = id;
  }

  @NonNull
  public Object clone() {
    Object clone = null;
    try {
      clone = super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return clone;
  }
}

// 创建扩展了上面抽象类的实体类：正方形
class Square extends Shape {

  public Square() {
    type = "Square";
  }

  @Override
  public void draw() {
    System.out.println("Inside Square::draw() method.");
  }
}

// 创建扩展了上面抽象类的实体类：长方形
class Rectangle extends Shape {

  public Rectangle() {
    type = "Rectangle";
  }

  @Override
  public void draw() {
    System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
  }
}

// 创建扩展了上面抽象类的实体类：圆形
class Circle extends Shape {

  public Circle() {
    type = "Circle";
  }

  @Override
  public void draw() {
    System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
  }
}

// 创建一个类，从数据库获取实体类，并把它们存储在一个 Hashtable 中
class ShapeCache {

  private static Hashtable<String, Shape> shapeMap = new Hashtable<String, Shape>();

  public static Shape getShape(String shapeId) {
    Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
    return (Shape) cachedShape.clone();
  }

  // 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状
  // shapeMap.put(shapeKey, shape);
  // 例如，我们要添加三种形状
  public static void loadCache() {
    Circle circle = new Circle();
    circle.setId("1");
    shapeMap.put(circle.getId(), circle);

    Square square = new Square();
    square.setId("2");
    shapeMap.put(square.getId(), square);

    Rectangle rectangle = new Rectangle();
    rectangle.setId("3");
    shapeMap.put(rectangle.getId(), rectangle);
  }
}

// 使用示例
public class PrototypePatternDemo {
  public static void main(String[] args) {
    ShapeCache.loadCache();

    Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1");
    System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());

    Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2");
    System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());

    Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3");
    System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());
  }
}

• 执行程序，输出结果：

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle

5 总结

• 原型模式通过克隆现有对象来创建新对象，从而提高了对象创建的效率和灵活性。它适用于需要频繁创建相似对象的场景，避免了重复的初始化操作。尽管实现起来可能会增加一定的复杂性，但原型模式在特定情况下能够显著提升系统性能和扩展性。