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原型模式

介绍

在软件开发中,当需要创建大量具有相同属性或结构的对象时,直接使用构造函数进行实例化可能会导致性能下降和内存浪费。

为了解决这个问题,Java提供了原型模式(Prototype Pattern)。

原型模式是一种创建型设计模式,它通过复制现有对象来创建新对象,而不是通过实例化类来创建。

概念

原型模式的核心思想是使用原型实例指定创建对象的种类,并且通过复制这个原型来创建新的对象。

在Java中,原型模式通常通过实现Cloneable接口并重写clone()方法来实现对象的复制。

结构

原型模式主要涉及以下几个角色:

  1. 抽象原型类(Prototype):声明一个克隆自身的接口
  2. 具体原型类(ConcretePrototype):实现一个克隆自身的操作
  3. 客户端(Client):通过复制原型来创建新对象

代码案例

Cloneable接口与clone()方法

Cloneable 接口是一个标记接口,它没有定义任何方法,但是只有实现了此接口的类对象才能调用 Object 类的 clone() 方法并返回一个与原对象具有相同值的新对象。

java
public class PrototypeExample implements Cloneable {
    private String id;
    private String name;

    // getters and setters...

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

浅拷贝与深拷贝

  • 浅拷贝:只复制基本数据类型和引用对象的地址,不复制引用对象的内容。这意味着如果原型对象中的引用对象被改变,会影响到克隆后的对象。
java
public class ShallowCopyExample extends PrototypeExample {
    private List<String> hobbies;

    // constructor, getters and setters...

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        ShallowCopyExample copy = (ShallowCopyExample) super.clone();
        // 注意这里并未创建hobbies的新副本,而是共享了引用
        return copy;
    }
}
  • 深拷贝:不仅复制基本数据类型,还复制引用对象的内容,即创建引用对象的新实例。这样即使修改原型对象中的引用对象,也不会影响到克隆后的对象。
java
public class DeepCopyExample extends PrototypeExample {
    private List<String> hobbies;

    // constructor, getters and setters...

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        DeepCopyExample copy = (DeepCopyExample) super.clone();
        // 创建hobbies的新副本,实现深拷贝
        copy.hobbies = new ArrayList<>(this.hobbies);
        return copy;
    }
}

Java案例一

下面是一个简单的Java代码案例来展示原型模式的应用:

java
// 抽象原型类  
public abstract class Prototype implements Cloneable {  
    public abstract Prototype clone();  
}  
  
// 具体原型类  
public class ConcretePrototype extends Prototype {  
    private String attribute;  
  
    public ConcretePrototype(String attribute) {  
        this.attribute = attribute;  
    }  
  
    public String getAttribute() {  
        return attribute;  
    }  
  
    @Override  
    public Prototype clone() {  
        try {  
            return (ConcretePrototype) super.clone();  
        } catch (CloneNotSupportedException e) {  
            e.printStackTrace();  
            return null;  
        }  
    }  
}  
  
// 客户端代码  
public class Client {  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建原型对象  
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype("Initial Value");  
          
        // 复制原型对象  
        ConcretePrototype clonedObject = (ConcretePrototype) prototype.clone();  
          
        // 修改复制对象的属性  
        clonedObject.attribute = "Cloned Value";  
          
        // 输出原型对象和复制对象的属性  
        System.out.println("Prototype Object Attribute: " + prototype.getAttribute());  
        System.out.println("Cloned Object Attribute: " + clonedObject.getAttribute());  
    }  
}

在这个例子中,我们定义了一个抽象原型类Prototype,它声明了一个clone()方法。

具体原型类ConcretePrototype继承了Prototype类,并实现了clone()方法。

在clone()方法中,我们调用了super.clone()来复制当前对象,并返回复制后的对象。

在客户端代码中,我们首先创建了一个原型对象,并通过调用其clone()方法来复制该对象。

然后,我们修改了复制对象的属性,并输出了原型对象和复制对象的属性。

优缺点

优点:

  1. 性能提升:当创建新对象需要消耗大量资源或时间时,使用原型模式可以显著提高性能。通过复制现有对象来创建新对象,避免了重复执行复杂的初始化过程
  2. 简化创建过程:原型模式使得对象的创建变得简单和方便。当对象的创建过程非常复杂或者包含大量的重复代码时,使用原型模式可以简化这些过程,提高代码的可读性和可维护性
  3. 灵活性:原型模式允许在运行时动态地改变对象的属性或状态,并基于这些变化创建新的对象。这使得系统更加灵活,能够适应不同的需求变化
  4. 扩展性:原型模式具有较好的扩展性。由于它依赖于对象的复制,而不是通过实例化类来创建对象,因此可以很容易地添加新的对象类型,而无需修改现有的代码

缺点:

  1. 浅复制与深复制问题:Java中的 clone() 方法默认实现的是浅复制,即只复制对象的引用,而不复制引用的实际内容。如果对象中包含对其他对象的引用,那么这些引用也会被复制,而不是引用指向的实际对象。这可能导致在修改新对象时意外地修改了原型对象或其他对象。要解决这个问题,需要实现深复制,但这可能会增加实现的复杂性和开销
  2. 对象间的独立性:由于原型模式是通过复制现有对象来创建新对象的,因此新对象与原型对象之间可能存在一定的依赖关系。这可能导致在修改新对象时影响到原型对象或其他基于该原型创建的对象
  3. 线程安全性:如果原型模式在多线程环境下使用,需要确保对象的复制和修改过程是线程安全的。否则,可能会出现数据不一致或其他并发问题
  4. 不适用于所有场景:虽然原型模式在某些场景下非常有用,但它并不适用于所有情况。对于简单的对象或不需要频繁创建对象的场景,使用原型模式可能会引入不必要的复杂性

综上所述,原型模式具有性能提升、简化创建过程、灵活性和扩展性等优点,但也存在浅复制与深复制问题、对象间的独立性、线程安全性和适用场景限制等缺点。在决定是否使用原型模式时,需要根据具体的应用场景和需求进行权衡和选择

原型模式的注意事项

  1. 浅复制与深复制:Java中的clone()方法默认实现的是浅复制,即只复制对象的引用,而不复制引用的实际内容。如果需要深复制,需要自行实现复制逻辑。
  2. 线程安全性:如果原型模式在多线程环境下使用,需要确保对象的复制过程是线程安全的。

总结

原型模式是一种非常实用的设计模式,它通过复制现有对象来创建新对象,提高了性能和灵活性。

在需要创建大量具有相同属性或结构的对象时,可以考虑使用原型模式来简化对象的创建过程。

同时,在使用原型模式时,需要注意浅复制与深复制的区别,以及线程安全性问题。

Released under the MIT License.