原型模式的定义与特点
原型（Prototype）模式的定义如下：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。
原型模式的优点：
- Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。
- 可以使用深克隆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，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。
原型模式的缺点：
- 需要为每一个类都配置一个 clone 方法
- clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。
- 当实现深克隆时，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，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。
原型模式的结构与实现
由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。
1. 模式的结构
原型模式包含以下主要角色。
- 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
- 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
- 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。
其结构图如图 1 所示。
图1 原型模式的结构图
2. 模式的实现
原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。
- 浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
- 深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。
Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下：
//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
Realizetype() {
System.out.println("具体原型创建成功！");
}
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
System.out.println("具体原型复制成功！");
return (Realizetype) super.clone();
}
}
//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Realizetype obj1 = new Realizetype();
Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
}
}
程序的运行结果如下：
具体原型创建成功！ 具体原型复制成功！ obj1==obj2?false
原型模式的应用实例
【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。
分析：孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空，这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类，而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。
同前面介绍的猪八戒实例一样，由于要显示孙悟空的图像（点击此处下载该程序所要显示的孙悟空的图片），所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类，里面包含了标签，用于保存孙悟空的图像。
另外，重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法，用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空，并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。
图2 孙悟空生成器的结构图
程序代码如下：
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
class SunWukong extends JPanel implements Cloneable {
private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;
public SunWukong() {
JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));
this.add(l1);
}
public Object clone() {
SunWukong w = null;
try {
w = (SunWukong) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
System.out.println("拷贝悟空失败!");
}
return w;
}
}
public class ProtoTypeWukong {
public static void main(String[] args) {
JFrame jf = new JFrame("原型模式测试");
jf.setLayout(new GridLayout(1, 2));
Container contentPane = jf.getContentPane();
SunWukong obj1 = new SunWukong();
contentPane.add(obj1);
SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();
contentPane.add(obj2);
jf.pack();
jf.setVisible(true);
jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
}
}
程序的运行结果如图 3 所示。
图3 孙悟空克隆器的运行结果
用原型模式除了可以生成相同的对象，还可以生成相似的对象，请看以下实例。
【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。
分析：同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同，其他都相同，属于相似对象的复制，同样可以用原型模式创建，然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。
图4 奖状生成器的结构图
程序代码如下：
public class ProtoTypeCitation {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
citation obj1 = new citation("张三", "同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。", "韶关学院");
obj1.display();
citation obj2 = (citation) obj1.clone();
obj2.setName("李四");
obj2.display();
}
}
//奖状类
class citation implements Cloneable {
String name;
String info;
String college;
citation(String name, String info, String college) {
this.name = name;
this.info = info;
this.college = college;
System.out.println("奖状创建成功！");
}
void setName(String name) {
this.name = name;
}
String getName() {
return (this.name);
}
void display() {
System.out.println(name + info + college);
}
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
System.out.println("奖状拷贝成功！");
return (citation) super.clone();
}
}
程序运行结果如下：
奖状创建成功！ 张三同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院 奖状拷贝成功！ 李四同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院
原型模式的应用场景
原型模式通常适用于以下场景。
- 对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
- 创建对象成本较大，例如初始化时间长，占用CPU太多，或者占用网络资源太多等，需要优化资源。
- 创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等，需要提高性能或者提高安全性。
- 系统中大量使用该类对象，且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。
在 Spring 中，原型模式应用的非常广泛，例如 scope='prototype'、JSON.parseObject() 等都是原型模式的具体应用。
原型模式的扩展
原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式，它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型，Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图 5 所示。
图5 带原型管理器的原型模式的结构图
【例3】用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型，并计算其面积。分析：本实例中由于存在不同的图形类，例如，“圆”和“正方形”，它们计算面积的方法不一样，所以需要用一个原型管理器来管理它们，图 6 所示是其结构图。
图6 图形生成器的结构图
程序代码如下：
import java.util.*;
interface Shape extends Cloneable {
public Object clone(); //拷贝
public void countArea(); //计算面积
}
class Circle implements Shape {
public Object clone() {
Circle w = null;
try {
w = (Circle) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
System.out.println("拷贝圆失败!");
}
return w;
}
public void countArea() {
int r = 0;
System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
Scanner input = new Scanner(System.in);
r = input.nextInt();
System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "/n");
}
}
class Square implements Shape {
public Object clone() {
Square b = null;
try {
b = (Square) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
System.out.println("拷贝正方形失败!");
}
return b;
}
public void countArea() {
int a = 0;
System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
Scanner input = new Scanner(System.in);
a = input.nextInt();
System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "/n");
}
}
class ProtoTypeManager {
private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();
public ProtoTypeManager() {
ht.put("Circle", new Circle());
ht.put("Square", new Square());
}
public void addshape(String key, Shape obj) {
ht.put(key, obj);
}
public Shape getShape(String key) {
Shape temp = ht.get(key);
return (Shape) temp.clone();
}
}
public class ProtoTypeShape {
public static void main(String[] args) {
ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
obj1.countArea();
Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
obj2.countArea();
}
}
运行结果如下所示：
这是一个圆，请输入圆的半径：3 该圆的面积=28.2735 这是一个正方形，请输入它的边长：3 该正方形的面积=9
进阶阅读
原型模式也称为克隆模式，如果您想深入了解原型（克隆）模式，可以猛击阅读下面的文章。
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