设计模式(16)>原型模式小强斋

原型模式

一、原型模式定义

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.

Prototype模式允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，根本无需知道任何如何创建的细节。

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。

二、模式解读

原型模式包含如下角色：

抽象原型(abstract prototype)：java中所有类都继承自Object，且Object实现了clone()方法，所以所有的对象都可以通过实现clonable接口实现具体原型；
具体原型类(concrete prototype)：具体原型类如果实现了clone()方法，需要实现clonable接口，否则会抛出CloneNotSupported异常；
客户类(client)：用来使用模式

二、Java对Prototype支持

因为Java中的提供clone()方法来实现对象的克隆,所以Prototype模式实现一下子变得很简单.在Java中Prototype 模式变成clone()方法的使用，由于Java 的纯洁的面向对象特性，使得在Java 中使用设计模式变得很自然，两者已经几乎是浑然一体了。这反映在很多模式上，如Interator 遍历模式。对象拷贝时，类的构造函数是不会被执行的，这个从原理来讲也是可以讲得通的，Object类的clone方法的原理是从内存中（具体的说就是堆内存）以二进制流的方式进行拷贝，重新分配一个内存块，那构造函数没有被执行也是非常正常的了。

Person.java

class Person implements Cloneable {
	// 姓名
	private String name;
	// 父亲
	private Person father;

	public Person(String _name) {
		name = _name;
	}

	public Person(String _name, Person _parent) {
		name = _name;
		father = _parent;
	}

	
	
	// 拷贝的实现
	@Override
	public Person clone() {
		Person p = null;
		try {
			p = (Person) super.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return p;
	}

	
	public String getName() {
		return name;
	}

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

	public Person getFather() {
		return father;
	}

	public void setFather(Person father) {
		this.father = father;
	}
}

Client

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		// 定义父亲
		Person f = new Person("张三");
		// 定义大儿子
		Person firstChild = new Person("张三大儿子", f);
		// 小儿子的信息是通过大儿子拷贝过来的
		Person secondChild = firstChild.clone();
	}
}

三、浅拷贝与深拷贝

浅拷贝存在的问题，让小儿子认个干爹

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		// 定义父亲
		Person f = new Person("张三");
		// 定义大儿子
		Person firstChild = new Person("张三大儿子", f);
		// 小儿子的信息是通过大儿子拷贝过来的
		Person secondChild = firstChild.clone();
		secondChild.setName("张三小儿子");
		
		// 小儿子认干爹
		secondChild.getFather().setName("李四");
		
		System.out.println(firstChild.getName() + " 的父亲是 " + firstChild.getFather().getName());
		System.out.println(secondChild.getName() + " 的父亲是 " + secondChild.getFather().getName());
	}
}

运行结果

张三大儿子的父亲是李四

张三小儿子的父亲是李四

大儿子的父亲也成了“李四”? 两个儿子都没有了，岂不是要气死“张三”了！

出现这个问题的原因就在于clone()方法，我们知道所有类都继承自Object，Object 提供了一个对象拷贝的默认方法，即上面代码中的super.clone 方法，但是该方法是有缺陷的，它提供的是一种浅拷贝方式，也就是说它并不会把对象的所有属性全部拷贝一份，而是有选择性的拷贝，Object类的clone方法只会拷贝对象中的基本的数据类型，对于数组、容器对象、引用对象等都不会拷贝，这就是浅拷贝。如果要实现深拷贝，必须将原型模式中的数组、容器对象、引用对象等另行拷贝。幸运的是java提供的大部分的容器类都实现了Cloneable接口。所以实现深拷贝并不是特别困难。它的拷贝规则具体如下：

（1）基本类型

如果变量是基本类型，则拷贝其值，比如int、float 等。

（2）对象

如果变量是一个实例对象，则拷贝地址引用，也就是说此时新拷贝出的对象与原有对象共享该实例变量，不受访问权限的限制。这在Java 中是很疯狂的，因为它突破了访问权限的定义：一个private 修饰的变量，竟然可以被两个不同的实例对象访问，这让Java的访问权限体系情何以堪！

（3）String 字符串

这个比较特殊，拷贝的也是一个地址，是个引用，但是在修改时，它会从字符串池（String Pool）中重新生成新的字符串，原有的字符串对象保持不变，在此处我们可以认为String 是一个基本类型。

浅复制：

复制了值类型对象，对于引用类型对象，只复制了引用，它指向原来引用的对象。Java中clone为浅复制。
深复制：

对值类型和引用类型的对象都生成一份新的拷贝. Java中可以通过串行化来进行深复制,前提是对象以及对象内部所引用的对象都是可串行化的，否则需要考虑将那些不可串行化的对象可否设为transient,排除在复制过程之外。

深拷贝的实现

class Person implements Cloneable {
	// 姓名
	private String name;
	// 父亲
	private Person father;

	public Person(String _name) {
		name = _name;
	}

	public Person(String _name, Person _parent) {
		name = _name;
		father = _parent;
	}

	// 拷贝的实现
	@Override
	public Person clone() {

		Person p = null;

		try {

			p = (Person) super.clone();

			p.setFather(new Person(p.getFather().getName()));

		} catch (CloneNotSupportedException e) {

			e.printStackTrace();

		}

		return p;

	}

	public String getName() {
		return name;
	}

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

	public Person getFather() {
		return father;
	}

	public void setFather(Person father) {
		this.father = father;
	}
}

然后再运行，大儿子的父亲就不会是“李四”了。如此就实现了对象的深拷贝（DeepClone），保证拷贝出来的对象自成一体，不受“母体”的影响，和new 生成的对象没有任何区别。

四、用序列化技术（Serilization）来完成对象的复制

实现Cloneable 接口就具备了拷贝能力，那我们来思考这样一个问题：如果一个项目中有大量的对象是通过拷贝生成的，那我们该如何处理？每个类都写一个clone 方法，并且还要深拷贝？想想看这是何等巨大的工作量呀，是否有更好的方法呢？

其实，可以通过序列化方式来处理，在内存中通过字节流的拷贝来实现，也就是把母对象写到一个字节流中，再从字节流中将其读出来，这样就可以重建一个新对象了，该新对象与母对象之间不存在引用共享的问题，也就相当于深拷贝了一个新对象，代码如下：

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;

public class CloneUtils {
	// 拷贝一个对象
	@SuppressWarnings("unchecked")
	public static <T extends Serializable> T clone(T obj) {
		// 拷贝产生的对象
		T clonedObj = null;
		try {
			// 读取对象字节数据
			ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
			ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
			oos.writeObject(obj);
			oos.close();
			// 分配内存空间，写入原始对象，生成新对象
			ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos
					.toByteArray());
			ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
			// 返回新对象，并做类型转换
			clonedObj = (T) ois.readObject();
			ois.close();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return clonedObj;
	}
}

此工具类要求被拷贝的对象必须实现Serializable 接口，否则是没办法拷贝的（当然，使用反射那是另外一种技巧），上一个建议中的例子只要稍微修改一下即可实现深拷贝，代码如下：

class Person implements Serializable{

private static final longserialVersionUID = 1611293231L;

/* 删除掉clone 方法，其他代码保持不变*/

}

被拷贝的类只要实现Serializable 这个标志性接口即可，不需要任何实现，当然serialVersionUID 常量还是要加上去的，然后我们就可以通过CloneUtils 工具进行对象的深拷贝了。用此方法进行对象拷贝时需要注意两点：

（1）对象的内部属性都是可序列化的

如果有内部属性不可序列化，则会抛出序列化异常，这会让调试者很纳闷：生成一个对象怎么会出现序列化异常呢？从这一点来考虑，也需要把CloneUtils工具的异常进行细化处理。

（2）注意方法和属性的特殊修饰符

final关键字和clone有冲突

import java.util.ArrayList;

public class Thing implements Cloneable {
	// 定义一个私有变量
	private final ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();

	@Override
	public Thing clone() {
		Thing thing = null;
		try {
			thing = (Thing) super.clone();
			this.arrayList = (ArrayList<String>) this.arrayList.clone();
		} catch (CloneNotSupportedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return thing;
	}
}

报错：the final field ArrayList can not be assigned

static变量的序列化问题会被引入到对象拷贝中来，这点需要特别注意，

transient变量（瞬态变量，不进行序列化的变量）也会影响到拷贝的效果。

五. 模式总结

4.1 优点

隐藏了对象的创建细节，对有些初始化需要占用很多资源的类来说，对性能也有很大提高。
在需要新对象时，可以使用Clone来快速创建创建一个，而不用使用new来构建。

4.2 缺点

每一个类都需要一个Clone方法，而且必须通盘考虑。对于深拷贝来说，每个关联到的类型都不许实现Cloneable接口，并且每增加或修改一个字段是都需要更新Clone方法。

4.3 适用场景

类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等
通过new产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式
一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。

参考

编写高质量代码：改善Java程序的151个建议（43 44）

设计模式(16)>原型模式 小强斋