设计模式：03-原型模式

1、克隆羊问题

现在有一只羊 tom，姓名为：tom，年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

2、传统方式解决克隆羊问题

1）思路分析

m85t7

2）代码演示

Sheep 羊类

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public class Sheep {  
    private String name;  
    private Integer age;  
    private String color;  
    public Sheep(final String name, final Integer age, final String color) {  
        this.name = name;  
        this.age = age;  
        this.color = color;  
    }  
    public String getName() {  
        return name;  
    }  
    public void setName(final String name) {  
        this.name = name;  
    }  
    public Integer getAge() {  
        return age;  
    }  
    public void setAge(final Integer age) {  
        this.age = age;  
    }  
    public String getColor() {  
        return color;  
    }  
    public void setColor(final String color) {  
        this.color = color;  
    }  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "Sheep{" +  
            "name='" + name + '\'' +  
            ", age=" + age +  
            ", color='" + color + '\'' +  
            '}';  
    }  
}

Client 客户端

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public class Client {  
    public static void main(String[] args) {  
        final Sheep sheep1 = new Sheep("tom", 1, "白色");  
        final Sheep sheep2 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());  
        final Sheep sheep3 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());  
        final Sheep sheep4 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());  
        final Sheep sheep5 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());  
        // ......  
        System.out.println(sheep1);  
        System.out.println(sheep2);  
        System.out.println(sheep3);  
        System.out.println(sheep4);  
        System.out.println(sheep5);  
        // ......  
    }  
}

3、传统方式的优缺点

1）优点是比较好理解，简单易操作

2）在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低

3）总是需要重新初始化对象，而不是动态的获得对象运行时的状态，不够灵活

4）改进的思路分析

思路：Java 中 Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone()方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是需要实现 clone 的 Java 类必须要实现一个接口 Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 -> 原型模式

4、原型模式

4.1 基本介绍

1）原型模式（Prototype 模式）是指：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

2）原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节

3）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他们自己来实施创建，即 对象.clone()

4）形象的理解：孙大圣拔出猴毛，变出其他孙大圣

4.2 原理结构图-UML 类图

l11mw

原理结构图说明：

1）Prototype：原型类，声明一个克隆自己的接口

2）ConcretePrototype：具体的原型类，实现一个克隆自己的操作

3）Client：让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象（属性一样）

4.3 原型模式解决克隆羊问题的应用实例

使用原型模式改进传统方式，让程序具有更高的效率和扩展性。

Sheep 羊类

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public class Sheep implements Cloneable {  
    private String name;  
    private Integer age;  
    private String color;  
    public Sheep(final String name, final Integer age, final String color) {  
        this.name = name;  
        this.age = age;  
        this.color = color;  
    }  
    public String getName() {  
        return name;  
    }  
    public void setName(final String name) {  
        this.name = name;  
    }  
    public Integer getAge() {  
        return age;  
    }  
    public void setAge(final Integer age) {  
        this.age = age;  
    }  
    public String getColor() {  
        return color;  
    }  
    public void setColor(final String color) {  
        this.color = color;  
    }  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "Sheep[name=" + name + ",age=" + age + ",color=" + color + "]";  
    }  
    // 克隆该实例，使用默认的克隆方法完成  
    @Override  
    protected Object clone() {  
        Sheep sheep = null;  
        try {  
            sheep = (Sheep) super.clone();  
        } catch (CloneNotSupportedException e) {  
            System.out.println("error : " + e.getMessage());  
        }  
        return sheep;  
    }  
}

Client 客户端

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public class Client {  
    public static void main(String[] args) {  
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");  
        Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();  
        Sheep sheep2 = (Sheep) sheep.clone();  
        Sheep sheep3 = (Sheep) sheep.clone();  
        Sheep sheep4 = (Sheep) sheep.clone();  
        System.out.println("sheep1 : " + sheep1);  
        System.out.println("sheep2 : " + sheep2);  
        System.out.println("sheep3 : " + sheep3);  
        System.out.println("sheep4 : " + sheep4);  
    }  
}

5、原型模式在 Spring 框架中源码分析

1）Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式的应用

Monster 类

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public class Monster {  
    private Integer id = 10;  
    private String nickname = "牛魔王";  
    private String skill = "芭蕉扇";  
    public Monster() {  
        System.out.println("monster 创建");  
    }  
    public Monster(final Integer id, final String nickname, final String skill) {  
        this.id = id;  
        this.nickname = nickname;  
        this.skill = skill;  
    }  
    public Integer getId() {  
        return id;  
    }  
    public void setId(final Integer id) {  
        this.id = id;  
    }  
    public String getNickname() {  
        return nickname;  
    }  
    public void setNickname(final String nickname) {  
        this.nickname = nickname;  
    }  
    public String getSkill() {  
        return skill;  
    }  
    public void setSkill(final String skill) {  
        this.skill = skill;  
    }  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "Monster{" +  
            "id=" + id +  
            ", nickname='" + nickname + '\'' +  
            ", skill='" + skill + '\'' +  
            '}';  
    }  
}

beans.xml

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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>  
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"  
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"  
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans  
        https://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">  
  
  <!-- 这里我们的 scope="prototype" 即 原型模式来创建 -->  
  <bean id="id01" class="com.wenze.design.prototype.springCoding.Monster"  
        scope="prototype"/>  
  
</beans>

PrototypeTest 测试类

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public class PrototypeTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");  
        // 获取 monster [通过id获取 monster]        
        Object bean = applicationContext.getBean("id01");  
        System.out.println("bean: " + bean);  
    }  
}

使用注解实现(类标记为)

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@Component
@Scope("prototype")
public class Monster {
    private Integer id = 10;
    private String nickname = "牛魔王";
    private String skill = "芭蕉扇";

    public Monster() {
        System.out.println("monster 创建");
    }
    public Monster(final Integer id, final String nickname, final String skill) {
        this.id = id;
        this.nickname = nickname;
        this.skill = skill;
    }
    public Integer getId() {
        return id;
    }
    public void setId(final Integer id) {
        this.id = id;
    }
    public String getNickname() {
        return nickname;
    }
    public void setNickname(final String nickname) {
        this.nickname = nickname;
    }
    public String getSkill() {
        return skill;
    }
    public void setSkill(final String skill) {
        this.skill = skill;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Monster{" +
                "id=" + id +
                ", nickname='" + nickname + '\'' +
                ", skill='" + skill + '\'' +
                '}';
    }
    
}




使用 Monster 类的示例：

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ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");

Monster bean1 = context.getBean(Monster.class);
bean1.setName("bean1");

Monster bean2 = context.getBean(Monster.class);
bean2.setName("bean2");

System.out.println(bean1.getName()); // 输出：bean1
System.out.println(bean2.getName()); // 输出：bean2


6、深入讨论——浅拷贝和深拷贝

6.1 浅拷贝的介绍

1）对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。

2）对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值。

3）前面我们克隆羊就是浅拷贝

4）浅拷贝是使用默认的 clone() 方法来实现：sheep = (Sheep)super.clone();

6.2 深拷贝基本介绍

1）复制对象的所有基本数据类型的成员变量值

2）为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象（包括对象的引用类型）进行拷贝。

3）深拷贝实现方式 1：重写 clone 方法来实现深拷贝

4）深拷贝实现方式 2：通过对象序列化实现深拷贝（推荐）

代码：

DeepCloneTarget

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package com.wenze.design.prototype.deepClone;  
  
import java.io.Serial;  
import java.io.Serializable;  

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {  
    @Serial  
    private static final long serialVersionUID = 1L;  
    private String cloneName;  
    private String cloneClass;  
    public DeepCloneableTarget(final String cloneName, final String cloneClass) {  
        this.cloneName = cloneName;  
        this.cloneClass = cloneClass;  
    }  
    @Override  
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
        return super.clone();  
    }  
}

DeepPrototype

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public class DeepPrototype implements Serializable, Cloneable {  
    public String name;  
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;  
    public DeepPrototype() {  
    }  
    /**  
     * 深拷贝-方式 1：使用 clone 方法  
     */  
    @Override  
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
        Object deep = null;  
        // 这里完成对基本数据类型（属性）和 String 的克隆  
        deep = super.clone();  
        // 对引用类型的属性进行单独处理  
        DeepPrototype deepPrototype = (DeepPrototype) deep;  
        deepPrototype.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget) deepCloneableTarget.clone();  
  
        return deepPrototype;  
    }  
  
    /**  
     * 深拷贝-方式 2：通过对象的序列化实现（推荐）  
     */  
    public DeepPrototype deepClone() {  
        // 创建流对象  
        ByteArrayOutputStream bos = null;  
        ObjectOutputStream oos = null;  
        ByteArrayInputStream bis = null;  
        ObjectInputStream ois = null;  
  
        try {  
            // 序列化  
            bos = new ByteArrayOutputStream();  
            oos = new ObjectOutputStream(bos);  
            // 当前这个对象以对象流的方式输出  
            oos.writeObject(this);  
  
            // 反序列化  
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());  
            ois = new ObjectInputStream(bis);  
            return (DeepPrototype) ois.readObject();  
        } catch (Exception e) {  
            System.out.println("error: " + e.getMessage());  
            return null;  
        } finally {  
            // 关闭流  
            try {  
                if (null != bos) {  
                    bos.close();  
                }  
                if (null != oos) {  
                    oos.close();  
                }  
                if (null != bis) {  
                    bis.close();  
                }  
                if (null != ois) {  
                    ois.close();  
                }  
            } catch (Exception e) {  
                System.out.println("error: " + e.getMessage());  
            }  
        }  
    }  
}

Client

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public class Client {  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        final DeepPrototype deepPrototype = new DeepPrototype();  
        deepPrototype.name = "宋江";  
        deepPrototype.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "大牛的类");  
  
        // 方式 1 完成 深拷贝  
         DeepPrototype deepPrototype1 = (DeepPrototype) deepPrototype.clone();
         System.out.println("deepPrototype.name=" + deepPrototype.name + " deepPrototype.deepCloneableTarget=" + deepPrototype.deepCloneableTarget.hashCode());
         System.out.println("deepPrototype1.name=" + deepPrototype1.name + " deepPrototype1.deepCloneableTarget=" + deepPrototype1.deepCloneableTarget.hashCode());
         
        // 方式 2 完成 深拷贝
        final DeepPrototype deepPrototype2 = deepPrototype.deepClone();  
        System.out.println("deepPrototype.name=" + deepPrototype.name + " deepPrototype.deepCloneableTarget=" + deepPrototype.deepCloneableTarget.hashCode());  
        System.out.println("deepPrototype2.name=" + deepPrototype2.name + " deepPrototype2.deepCloneableTarget=" + deepPrototype2.deepCloneableTarget.hashCode());  
    }  
}

7、原型模式的注意事项和细节

1）创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率

2）不用重新初始化对象，而是动态的获得对象运行时状态

3）如果原始对象发生变化（增加或者减少属性），其他克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码

4）在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码

5）缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了 OCP 原则，这点请注意。

8、 总结

原型模式是一种创建型设计模式，它可以通过复制一个现有的对象来创建新的对象。

在Spring中，可以通过设置Bean的scope属性为“prototype”来实现原型模式。

原型模式的优点是可以减少对象的创建开销，提高性能，可以使对象的状态保持独立，避免相互影响，可以实现更灵活的对象创建机制。原型模式的缺点是增加了内存占用，可能导致对象之间的耦合。

原型模式通常用于创建轻量级对象，对于重量级对象，使用原型模式可能会导致性能问题。

原型模式可能会导致对象之间的耦合。如果两个对象相互引用，并且其中一个对象是原型scope的，则另一个对象也应该设置为prototype scope。