我的Java设计模式-原型模式

“不好意思，我是卧底！哇哈哈哈~”额......自从写了上一篇的观察者模式，就一直沉浸在这个角色当中，无法自拨。昨晚在看《使徒行者2》，有一集说到啊炮仗哥印钞票，我去，这就是想印多少就印多少的节奏。

但是我觉得他们印钞票的方法太low了，就用那“哧咔，哧咔~”的老机器没日没夜的印，看着都着急。

这里我们可以用原型模式优化印钞票的致富之路，为什么，继续往下看......

一、原型模式

定义

  用原型实例指定所有创建对象的类型，并且通过复制这个拷贝创建新的对象。

特点

  1）必须存在一个现有的对象，也就是原型实例，通过原型实例创建新对象。

  2）在Java中，实现Cloneable，并且因为所有的类都继承Object类，重写clone()方法来实现拷贝。

使用场景

• 大量的对象，并且类初始化时消耗的资源多。没人会嫌钱多的吧，除了某云。

• 这些钞票的信息属性基本一致，可以调整个别的属性。

• 印钞票的工序非常复杂，需要进行繁琐的数据处理。

UML图

从上面的UML图可以看出，原型模式涉及到的角色有如下三个：

  - 客户端角色：负责创建对象的请求。

  - 抽象原型角色：该角色是一个抽象类或者是接口，提供拷贝的方法。

  - 具体原型角色：该角色是拷贝的对象，需要重写抽象原型的拷贝方法，实现浅拷贝或者深拷贝。

二、实战

一起来印钞票，钞票实例必须实现Cloneable接口，该接口只充当一个标记，然后重写clone方法，具体原型角色代码如下：

public class Money implements Cloneable {
    private int faceValue;
    private Area area;
    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }
    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }
    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }
    public Area getArea() {
        return area;
    }
    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }
    public String getUnit() {
        return unit;
    }
    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }
    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Money) super.clone();
    }
}

Area类代码如下：

public class Area {
	// 钞票单位
    private String unit;
    public String getUnit() {
        return unit;
    }
    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }
}

看看客户端如何实现钞票的拷贝，代码如下：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");
        // 原型实例，100RMB的钞票
        Money money = new Money(100, area);
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            try {
                Money cloneMoney = money.clone();
                cloneMoney.setFaceValue(i * 100);
                System.out.println("这张是" + cloneMoney.getFaceValue() +  cloneMoney.getArea().getUnit() + "的钞票");
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

大把大把的钞票出来了

这张是100RMB的钞票

这张是200RMB的钞票

这张是300RMB的钞票

从上面并没有看到抽象原型角色的代码，那该角色在哪？Object就是这个抽象原型角色，因为Java中所有的类都默认继承Objet，在这提供clone方法。

三、浅拷贝和深拷贝

在使用原型模式的时候，常常需要注意用的到底是浅拷贝还是深拷贝，当然这必须结合实际的项目需求。下面来了解学习这两种拷贝的用法和区别：

首先我们来看一个例子，只改变客户端代码：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");
        // 原型实例，100RMB的钞票
        Money money = new Money(100, area);
        try {
            Money cloneMoney = money.clone();
			cloneMoney.setFaceValue(200);
            area.setUnit("美元"); 
            System.out.println("原型实例的面值：" + money.getFaceValue() +money.getArea().getUnit());
            System.out.println("拷贝实例的面值：" + cloneMoney.getFaceValue() + cloneMoney.getArea().getUnit());
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果如下：

原型实例的面值：100美元

拷贝实例的面值：200美元

浅拷贝

见鬼了，明明就把原型实例的单位改成了美元而已，拷贝实例怎么也会跟着改变的。哪里有鬼？其实是Java在搞鬼。我们用的是Object的clone方法，而该方法只拷贝按值传递的数据，比如String类型和基本类型，但对象内的数组、引用对象都不拷贝，也就是说内存中原型实例和拷贝实例指向同一个引用对象的地址，这就是浅拷贝。浅拷贝的内存变化如下图：

从上图可以看出，浅拷贝前后的两个实例对象共同指向同一个内存地址，即它们共有拥有area1实例，同时也存在着数据被修改的风险。注意，这里不可拷贝的引用对象是指可变的类成员变量。

深拷贝

同样的看例子，客户端代码如下：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");
        // 原型实例，100RMB的钞票
        Money money = new Money(100, area);
        try {
            Money cloneMoney = money.clone();
			cloneMoney.setFaceValue(200);
            area.setUnit("美元");
            System.out.println("原型实例的面值：" + money.getFaceValue() + money.getArea().getUnit());
            System.out.println("拷贝实例的面值：" + cloneMoney.getFaceValue() + cloneMoney.getArea().getUnit());
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果如下：

原型实例的面值：100美元

拷贝实例的面值：200RMB

咦~这客户端代码不是跟浅拷贝的一样吗，但是运行结果却又不一样了。关键就在，实现深拷贝就需要完全的拷贝，包括引用对象，数组的拷贝。所以Area类也实现了Cloneable接口，重写了clone方法，代码如下：

public class Area implements Cloneable{
    // 钞票单位
    private String unit;
    public String getUnit() {
        return unit;
    }
    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }
    @Override
    protected Area clone() throws CloneNotSupportedException {
        Area cloneArea;
        cloneArea = (Area) super.clone();
        return cloneArea;
    }
}

另外，在Money钞票类的clone方法增加拷贝Area的代码：

public class Money implements Cloneable, Serializable {
    private int faceValue;
    private Area area;
    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }
    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }
    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }
    public Area getArea() {
        return area;
    }
    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }
    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        Money cloneMoney = (Money) super.clone();
        cloneMoney.area = this.area.clone();  // 增加Area的拷贝
        return cloneMoney;
    }
}

深拷贝的内存变化如下图：

深拷贝除了需要拷贝值传递的数据，还需要拷贝引用对象、数组，即把所有引用的对象都拷贝。需要注意的是拷贝的引用对象是否还有可变的类成员对象，如果有就继续对该成员对象进行拷贝，如此类推。所以使用深拷贝是注意分析拷贝有多深，以免影响性能。

序列化实现深拷贝

这是实现深拷贝的另一种方式，通过二进制流操作对象，从而达到深拷贝的效果。把对象写到流里的过程是序列化过程，而把对象从流中读出来的过程则叫反序列化过程。深拷贝的过程就是把对象序列化（写成二进制流），然后再反序列化（从流里读出来）。注意，在Java中，常常可以先使对象实现Serializable接口，包括引用对象也要实现Serializable接口，不然会抛NotSerializableException。

只要修改Money，代码如下：

public class Money implements Serializable {
    private int faceValue;
    private Area area;
    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }
    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }
    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }
    public Area getArea() {
        return area;
    }
    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }
    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        Money money = null;
        try {
			// 调用deepClone，而不是Object的clone方法
            cloneMoney = (Money) deepClone();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return cloneMoney;
    }
	// 通过序列化深拷贝
    public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
        //将对象写到流里
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(this);
        //从流里读回来
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return ois.readObject();
    }
}

同样运行客户端代码，最后来看看结果：

原型实例的面值：100美元

拷贝实例的面值：200RMB

四、原型模式的优缺点

优点

1）提高性能。不用new对象，消耗的资源少。

缺点

1）浅拷贝时需要实现Cloneable接口，深拷贝则要特别留意是否有引用对象的拷贝。

总结

原型模式本身比较简单，重写Object的clone方法，实现浅拷贝还是深拷贝。重点在理解浅拷贝和深拷贝，这是比较细但又重要，却往往被忽略的知识点。好啦，原型模式就到这了，下一篇是策略模式，敬请关注，拜拜！

设计模式Java源码GitHub下载：https://github.com/jetLee92/DesignPattern