前言

今天介紹原型模式，我自己偷偷給它命名為克隆模式。因為原型模式的意圖是通過復制一個現(xiàn)有的對象來生成新的對象，而不是通過實例化的方式。

正文

原型模式概念

原型模式(Prototype Pattern)：使用原型實例指定創(chuàng)建對象的種類，并且通過拷貝這些原型創(chuàng)建新的對象。原型模式是一種對象創(chuàng)建型模式。

該接口用于創(chuàng)建當前對象的克隆。當直接創(chuàng)建對象的代價比較大時，則采用這種模式。例如，一個對象需要在一個高代價的數(shù)據(jù)庫操作之后被創(chuàng)建。我們可以緩存該對象，在下一個請求時返回它的克隆，在需要的時候更新數(shù)據(jù)庫，以此來減少數(shù)據(jù)庫調(diào)用。

需要注意的是通過克隆方法所創(chuàng)建的對象是全新的對象，它們在內(nèi)存中擁有新的地址，通常對克隆所產(chǎn)生的對象進行修改對原型對象不會造成任何影響，每一個克隆對象都是相互獨立的。通過不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的對象。

原型模式結(jié)構(gòu)圖

在原型模式結(jié)構(gòu)圖中包含如下幾個角色：

• 抽象原型角色（Prototype）：它是聲明克隆方法的接口，是所有具體原型類的公共父類，可以是抽象類也可以是接口，甚至還可以是具體實現(xiàn)類。
• 具體原型角色（ConcretePrototype）：它實現(xiàn)在抽象原型類中聲明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一個克隆對象。
• 客戶角色（Client）：客戶類提出創(chuàng)建對象的請求。

原型模式的核心在于如何實現(xiàn)克隆方法，博主本人是從事Java開發(fā)，所以用Java語言提供的clone()方法來實現(xiàn)。學過Java語言的人都知道，所有的Java類都繼承自java.lang.Object。事實上，Object類提供一個clone()方法，可以將一個Java對象復制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法來實現(xiàn)對象的克隆，Java語言中的原型模式實現(xiàn)很簡單。

需要注意的是能夠?qū)崿F(xiàn)克隆的Java類必須實現(xiàn)一個標識接口Cloneable，表示這個Java類支持被復制。如果一個類沒有實現(xiàn)這個接口但是調(diào)用了clone()方法，Java編譯器將拋出一個CloneNotSupportedException異常。

克隆滿足的條件
clone()方法將對象復制了一份并返還給調(diào)用者。所謂“復制”的含義與clone()方法是怎么實現(xiàn)的有關。一般而言，clone()方法滿足以下的描述：

• 對任何的對象x，都有：x.clone()!=x 。換言之，克隆對象與元對象不是一個對象。
• 對任何的對象x，都有：x.clone().getClass==x.getClass(),換言之，克隆對象與元對象的類型一樣。
• 如果對象x的equals()方法定于恰當?shù)脑挘敲?code>x.clone().equals(x)應當是成立的。
  在Java語言的API中，凡是提供了clone(）方法的類，都滿足上面的這些條件。Java語言的設計師在設計自己的clone()方法時，也應當遵守這三個條件。

在理解Java原型模式之前，首先需要理解Java中的一個概念：復制/克隆。Java中的對象復制/克隆分為淺復制和深復制。在Java語言中，數(shù)據(jù)類型分為值類型（基本數(shù)據(jù)類型）和引用類型，值類型包括int、double、byte、boolean、char等簡單數(shù)據(jù)類型，引用類型包括類、接口、數(shù)組等復雜類型。淺克隆和深克隆的主要區(qū)別在于是否支持引用類型的成員變量的復制，下面將對兩者進行詳細介紹。

淺克隆

在淺克隆中，如果原型對象的成員變量是值類型，將復制一份給克隆對象；如果原型對象的成員變量是引用類型，則將引用對象的地址復制一份給克隆對象，也就是說原型對象和克隆對象的成員變量指向相同的內(nèi)存地址。簡單來說，在淺克隆中，當對象被復制時只復制它本身和其中包含的值類型的成員變量，而引用類型的成員對象并沒有復制。
下面以復制一本書為例：
下面是Author源代碼：

public class Author {
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

下面是Book源代碼：

public class Book  implements Cloneable{
    private String bookName;
    private int price;
    private Author author;

    public Book clone() {
        Book  book=null;
        try {
            book=(Book)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return book;

    }

    public Author getAuthor() {
        return author;
    }

    public void setAuthor(Author author) {
        this.author = author;
    }

    public String getBookName() {
        return bookName;
    }

    public void setBookName(String bookName) {
        this.bookName = bookName;
    }

    public int getPrice() {
        return price;
    }

    public void setPrice(int price) {
        this.price = price;
    }
}

下面是客戶端類：

public class Client {
    public static void main(String[] args){
        Author author=new Author();
        author.setName("tengj");
        Book book=new Book();
        book.setBookName("Java設計模式");
        book.setPrice(99);
        book.setAuthor(author);
        Book book2=book.clone();
        System.out.println(book==book2);                                 // false
        System.out.println(book.getBookName() == book2.getBookName());   // true
        System.out.println(book.getAuthor() == book2.getAuthor());       // true
    }
}

由輸出的結(jié)果可以驗證說到的結(jié)論。由此我們發(fā)現(xiàn)：雖然復制出來的對象重新在堆上開辟了內(nèi)存空間，但是，對象中各屬性確保持相等。對于基本數(shù)據(jù)類型很好理解，但對于引用數(shù)據(jù)類型來說，則意味著此引用類型的屬性所指向的對象本身是相同的， 并沒有重新開辟內(nèi)存空間存儲。換句話說，引用類型的屬性所指向的對象并沒有復制。
由此，我們將其稱之為淺復制。當復制后的對象的引用類型的屬性所指向的對象也重新得以復制，此時，稱之為深復制。

深克隆

在深克隆中，無論原型對象的成員變量是值類型還是引用類型，都將復制一份給克隆對象，深克隆將原型對象的所有引用對象也復制一份給克隆對象。簡單來說，在深克隆中，除了對象本身被復制外，對象所包含的所有成員變量也將復制。

在Java語言中，如果需要實現(xiàn)深克隆，可以通過序列化(Serialization)等方式來實現(xiàn)。序列化就是將對象寫到流的過程，寫到流中的對象是原有對象的一個拷貝，而原對象仍然存在于內(nèi)存中。通過序列化實現(xiàn)的拷貝不僅可以復制對象本身，而且可以復制其引用的成員對象，因此通過序列化將對象寫到一個流中，再從流里將其讀出來，可以實現(xiàn)深克隆。需要注意的是能夠?qū)崿F(xiàn)序列化的對象其類必須實現(xiàn)Serializable接口，否則無法實現(xiàn)序列化操作。

還是以復制一本書為例：
下面是Author源代碼(Author也需要實現(xiàn)Serializable接口!!)：

public class Author implements Serializable{
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

下面是Book源代碼（Book類需要實現(xiàn)Serializable接口）：

public class Book  implements Serializable{
    private String bookName;
    private int price;
    private Author author;

    public Book deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
// 寫入當前對象的二進制流
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(this);
        // 讀出二進制流產(chǎn)生的新對象
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return (Book) ois.readObject();
    }

    public Author getAuthor() {
        return author;
    }

    public void setAuthor(Author author) {
        this.author = author;
    }

    public String getBookName() {
        return bookName;
    }

    public void setBookName(String bookName) {
        this.bookName = bookName;
    }

    public int getPrice() {
        return price;
    }

    public void setPrice(int price) {
        this.price = price;
    }
}

下面是客戶端類：

public class DeepClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        Author author=new Author();
        author.setName("tengj");
        Book book=new Book();
        book.setBookName("Java設計模式");
        book.setPrice(99);
        book.setAuthor(author);
        Book book2=book.deepClone();
        System.out.println(book==book2);                                 // false
        System.out.println(book.getBookName() == book2.getBookName());   // false
        System.out.println(book.getAuthor() == book2.getAuthor());       // false
    }
}

從輸出結(jié)果中可以看出，深復制不僅在堆內(nèi)存上開辟了空間以存儲復制出的對象，甚至連對象中的引用類型的屬性所指向的對象也得以復制，重新開辟了堆空間存儲。

總結(jié)

原型模式作為一種快速創(chuàng)建大量相同或相似對象的方式，在軟件開發(fā)中應用較為廣泛，很多軟件提供的復制(Ctrl + C)和粘貼(Ctrl + V)操作就是原型模式的典型應用，下面對該模式的使用效果和適用情況進行簡單的總結(jié)。
1.主要優(yōu)點
原型模式的主要優(yōu)點如下：

• 當創(chuàng)建新的對象實例較為復雜時，使用原型模式可以簡化對象的創(chuàng)建過程，通過復制一個已有實例可以提高新實例的創(chuàng)建效率。
• 擴展性較好，由于在原型模式中提供了抽象原型類，在客戶端可以針對抽象原型類進行編程，而將具體原型類寫在配置文件中，增加或減少產(chǎn)品類對原有系統(tǒng)都沒有任何影響。
• 原型模式提供了簡化的創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，工廠方法模式常常需要有一個與產(chǎn)品類等級結(jié)構(gòu)相同的工廠等級結(jié)構(gòu)，而原型模式就不需要這樣，原型模式中產(chǎn)品的復制是通過封裝在原型類中的克隆方法實現(xiàn)的，無須專門的工廠類來創(chuàng)建產(chǎn)品。
• 可以使用深克隆的方式保存對象的狀態(tài)，使用原型模式將對象復制一份并將其狀態(tài)保存起來，以便在需要的時候使用（如恢復到某一歷史狀態(tài)），可輔助實現(xiàn)撤銷操作。

2.主要缺點
原型模式的主要缺點如下：

• 需要為每一個類配備一個克隆方法，而且該克隆方法位于一個類的內(nèi)部，當對已有的類進行改造時，需要修改源代碼，違背了“開閉原則”。
• 在實現(xiàn)深克隆時需要編寫較為復雜的代碼，而且當對象之間存在多重的嵌套引用時，為了實現(xiàn)深克隆，每一層對象對應的類都必須支持深克隆，實現(xiàn)起來可能會比較麻煩。

3.適用場景
在以下情況下可以考慮使用原型模式：

• 創(chuàng)建新對象成本較大（如初始化需要占用較長的時間，占用太多的CPU資源或網(wǎng)絡資源），新的對象可以通過原型模式對已有對象進行復制來獲得，如果是相似對象，則可以對其成員變量稍作修改。
• 如果系統(tǒng)要保存對象的狀態(tài)，而對象的狀態(tài)變化很小，或者對象本身占用內(nèi)存較少時，可以使用原型模式配合備忘錄模式來實現(xiàn)。
• 需要避免使用分層次的工廠類來創(chuàng)建分層次的對象，并且類的實例對象只有一個或很少的幾個組合狀態(tài)，通過復制原型對象得到新實例可能比使用構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個新實例更加方便。

一直覺得自己寫的不是技術(shù)，而是情懷，一篇篇文章是自己這一路走來的痕跡?？繉I(yè)技能的成功是最具可復制性的，希望我的這條路能讓你少走彎路，希望我能幫你抹去知識的蒙塵，希望我能幫你理清知識的脈絡，希望未來技術(shù)之巔上有你也有我。