设计模式学习（五）：原型模式

作者：Grey

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原型模式

原型模式是创建型模式。

如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段的值都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式。

实际上，创建对象包含的申请内存、给成员变量赋值这一过程，本身并不会花费太多时间，或者说对于大部分业务系统来说，这点时间完全是可以忽略的。应用一个复杂的模式，只得到一点点的性能提升，这就是所谓的过度设计，得不偿失。但是，如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从 RPC 、网络、数据库、文件系统等非常慢速的 I/O 中读取，每次读取一次的代价都很高，在这种情况下，我们就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作。

原型模式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，典型的应用是对象的克隆方法，示例代码如下

public class Person implements Cloneable {
    String name = "lisa";
    int age = 1;
    Location loc = new Location("xy", 10);

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Person p = (Person) super.clone();
        p.loc = (Location) loc.clone();
        return p;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" + "name='" + name + '\'' + ", age=" + age + ", loc=" + loc + '}';
    }
}

public class Location implements Cloneable {
    private String street;
    private int roomNo;

    public Location(String street, int roomNo) {
        this.street = street;
        this.roomNo = roomNo;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Location{" + "street='" + street + '\'' + ", roomNo=" + roomNo + '}';
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Person p = new Person();
        System.out.println(p);
        Person p2 = (Person) p.clone();
        System.out.println(p2);
    }
}

本示例的 UML 图如下：

注：Java 自带的 clone（） 方法进行的就是浅克隆。而如果我们想进行深克隆，可以直接在类中调用父类的克隆方法，即： super.clone() 后，手动给克隆对象的相关属性分配另一块内存，不过如果当原型对象维护很多引用属性的时候，手动分配会比较烦琐。因此，在 Java 中，如果想完成原型对象的深克隆，则通常使用序列化的方式。

例如：克隆一个巨大的 HashMap，如果构建该 HashMap 的代价很大，我们可以通过

方式一：先调用 HashMap 默认的克隆方法，然后递归拷贝 HashMap 里面的内容，直到类型是基础类型为止；

方式二：使用序列化方式克隆。

关于序列化克隆的示例代码如下

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class DeepCloneDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> hobbies = new ArrayList<>();
        hobbies.add("唱歌");
        hobbies.add("跳舞");
        Prototype p = new Prototype();
        p.setAge(18);
        p.setName("zhangsan");
        p.setHobbits(hobbies);
        Prototype clone = p.clone();
        System.out.println(clone.getAge());
        System.out.println(clone.getName());
        System.out.println(clone.getHobbits());
    }
}

// 待克隆对象
class Prototype implements Cloneable, Serializable {
    private int age;
    private String name;
    private List<String> hobbits;

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public List<String> getHobbits() {
        return hobbits;
    }

    public void setHobbits(List<String> hobbits) {
        this.hobbits = hobbits;
    }

    @Override
    protected Prototype clone() {
        return deepClone();
    }

    public Prototype deepClone() {
        try {
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this);
            ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
            return (Prototype) ois.readObject();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Prototype{" + "age=" + age + ", name='" + name + '\'' + ", hobbits=" + hobbits + '}';
    }
}

如果只是增量拷贝，可以通过浅拷贝拿到一个新的 HashMap ，然后拿到增量的数据单独进行深拷贝即可。

更多地，Spring 中创建对象的方式默认采用单例模式，可以通过设置 @Scope("prototype") 注解将其改为原型模式。

UML 和 代码

UML 图

代码

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设计模式学习专栏

参考资料

• Effective Java中文版（第3版）

• Head First 设计模式

• 设计模式-可复用面向对象软件的基础

• 坦克大战-马士兵

• 菜鸟教程-设计模式

• 极客时间-设计模式之美-王争