设计模式系列13—原型模式

1 原型模式的定义与特点

1.1 定义

原型(Prototype)模式的定义如下:用一个已经创建的实例作为原型,通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里,原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效,根本无须知道对象创建的细节。例如,Windows 操作系统的安装通常较耗时,如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多,这里不一一列举了。

1.2 特点

通过复制现有的对象实例来创建新的对象实例。

1.3 结构

原型模式包含以下主要角色。

  • 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的接口。
  • 具体原型类:实现抽象原型类的 clone() 方法,它是可被复制的对象。
  • 访问类:使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

其结构图如图所示。
原型模式的结构图

2 原型模式的优缺点

2.1 单例模式的优点

  • 使用原型模型创建一个对象比直接new一个对象更有效率,因为它直接操作内存中的二进制流,特别是复制大对象时,性能的差别非常明显。
  • 隐藏了制造新实例的复杂性,使得创建对象就像我们在编辑文档时的复制粘贴一样简单。

2.2 单例模式的缺点

  • 由于使用原型模式复制对象时不会调用类的构造方法,所以原型模式无法和单例模式组合使用,因为原型类需要将clone方法的作用域修改为public类型,那么单例模式的条件就无法满足了。
  • 使用原型模式时不能有final对象。
  • Object类的clone方法只会拷贝对象中的基本数据类型,对于数组,引用对象等只能另行拷贝。这里涉及到深拷贝和浅拷贝的概念。

3 原型模式的使用场景

  • 复制对象的结构和数据。
  • 希望对目标对象的修改不影响既有的原型对象。
  • 创建一个对象的成本比较大。

4 原型模式的实现

4.1 实现步骤

  • 第一步:实现Cloneable接口
    Cloneable接口的作用是在运行时通知虚拟机可以安全地在实现了此接口的类上使用clone方法。在java虚拟机中,只有实现了这个接口的类才可以被拷贝,否则在运行时会抛出CloneNotSupportedException异常。

  • 第二步:重写Object类中的clone方法
    Java中,所有类的父类都是Object类,Object类中有一个clone方法,作用是返回对象的一个拷贝,但是其作用域protected类型的,一般的类无法调用,因此,原型类需要将clone方法的作用域修改为public类型。

4.2 举个例子

对于拿邮件发邀请函,邮件类大部分内容都是一样的:邀请原由、相邀地点,相聚时间等等,但对于被邀请者的名称和发送的邮件地址是不同的。

定义Mail类:

public class Mail implements Cloneable {    
    private String receiver;    
    private String subject;    
    private String content;    
    private String tail;    
    public Mail(EventTemplate et) {        
        this.tail = et.geteventContent();        
        this.subject = et.geteventSubject();
    }    
    @Override
    public Mail clone() {
        Mail mail = null;        
    try {
            mail = (Mail) super.clone();            
        } catch (CloneNotSupportedException e) {            
        // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }        return mail;
    }
//get、set.....
}

测试方法:

public static void main(String[] args) {
    int i = 0;
    int MAX_COUNT = 10;
    EventTemplate et = 
new EventTemplate("邀请函(不变)", "婚嫁生日啥的....(不变部分)");
    Mail mail = new Mail(et);    
    while (i < MAX_COUNT) {
        Mail cloneMail = mail.clone();
        cloneMail.setContent("XXX先生(女士)(变化部分)"
     + mail.getTail());
        cloneMail.setReceiver("每个人的邮箱地址...com(变化部分)");
        sendMail(cloneMail);
        i++;
    }

}

5 原型模式的常见问题

5.1 深拷贝与浅拷贝:

  • 浅拷贝
    将一个对象复制后,基本数据类型的变量都会重新创建,而引用类型,指向的还是原对象所指向的(这样不安全)。

  • 深拷贝
    将一个对象复制后,不论是基本数据类型还有引用类型,都是重新创建的。

那么深拷贝如何具体实现呢?

继续上面的例子,增加了一个ArrayList属性。

private String receiver;
private String subject;
private String content;
private String tail;
private ArrayList<String> ars;

此时,单mail = (Mail) super.clone();无法将ars指向的地址区域改变,必须另行拷贝:

try {
       mail = (Mail) super.clone();       
       mail.ars = (ArrayList<String>)this.ars.clone();
      } catch (CloneNotSupportedException e) {
          e.printStackTrace();
}

5.2 原型模式的扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式,它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型,Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图所示。
image.png

那接下来举个例子:
用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型,并计算其面积。分析:本实例中由于存在不同的图形类,例如,“圆”和“正方形”,它们计算面积的方法不一样,所以需要用一个原型管理器来管理它们,下图所示是其结构图。
image.png

具体表现实现如下:

interface Shape extends Cloneable
{
    public Object clone();    //拷贝
    public void countArea();    //计算面积
}
class Circle implements Shape
{
    public Object clone()
    {
        Circle w=null;
        try
        {
            w=(Circle)super.clone();
        }
        catch(CloneNotSupportedException e)
        {
            System.out.println("拷贝圆失败!");
        }
        return w;
    }
    public void countArea()
    {
        int r=0;
        System.out.print("这是一个圆,请输入圆的半径:");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        r=input.nextInt();
        System.out.println("该圆的面积="+3.1415*r*r+"\n");
    }
}
class Square implements Shape
{
    public Object clone()
    {
        Square b=null;
        try
        {
            b=(Square)super.clone();
        }
        catch(CloneNotSupportedException e)
        {
            System.out.println("拷贝正方形失败!");
        }
        return b;
    }
    public void countArea()
    {
        int a=0;
        System.out.print("这是一个正方形,请输入它的边长:");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        a=input.nextInt();
        System.out.println("该正方形的面积="+a*a+"\n");
    }
}
class ProtoTypeManager
{
    private HashMap<String, Shape>ht=new HashMap<String,Shape>(); 
    public ProtoTypeManager()
    {
        ht.put("Circle",new Circle());
           ht.put("Square",new Square());
    } 
    public void addshape(String key,Shape obj)
    {
        ht.put(key,obj);
    }
    public Shape getShape(String key)
    {
        Shape temp=ht.get(key);
        return (Shape) temp.clone();
    }
}
public class ProtoTypeShape
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ProtoTypeManager pm=new ProtoTypeManager();    
        Shape obj1=(Circle)pm.getShape("Circle");
        obj1.countArea();          
        Shape obj2=(Shape)pm.getShape("Square");
        obj2.countArea();     
    }
}

运行结果如下所示:

这是一个圆,请输入圆的半径:3
该圆的面积=28.2735

这是一个正方形,请输入它的边长:3
该正方形的面积=9
更新时间:2020-08-31 15:32:22

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最后更新:2020-08-31 15:32:22

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