Java原型模式以及引用拷贝与对象拷贝问题

基本数据类型，引用数据类型，String

这里为了更好的理解栈，堆的指向关系，Java传值，传引用问题，我找来一个题可以练习一下：

public class Application {
    
    

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        ReferenceOrValue referenceOrValue = new ReferenceOrValue();
		// 测试基本数据类型
        int a=0;
        referenceOrValue.changeValue1(a);
        System.out.println(a);
        
        // 测试引用类型
        Person person = new Person();
        person.setNum(0);
        referenceOrValue.changeValue2(person);
        System.out.println(person);

		//测试String类型
        String str="abc";
        referenceOrValue.changeValue3(str);
        System.out.println(str);
    }
}
class ReferenceOrValue{
    
    
    public void  changeValue1(int num){
    
    
        num=100;

    }
    public void changeValue2(Person person){
    
    
        person.num=100;

    }
    public void changeValue3(String str){
    
    
         str="xxx";

    }
}
@Data
class Person{
    
    
    public int num;
}

结果：
在这里插入图片描述

思考：为什么是这样的结果？
首先，要明白基本数据类型有哪些？ Java8大基本数据类型：byte，short，int，long，float，double，char，boolean，其他都为引用类型。
基本数据类型在作为参数时传递的是值，引用参数类型在参数传递时传递的是地址。
回到题目中

向changeValue1（）函数中传递的是基本数据类型，将0作为值向函数中传递（相当于int的一个副本），但在函数中将变量设置为100，此100只在函数中有效所以不会影响到外面。
向changeValue2（）函数中传递的是引用类型，将对象的地址向函数中传递（相当于本身），在函数中已经将此地址的值修改，虽然没有将此变量向外暴露出去，但内存值已经发生改变
向changeValue3（）函数中传递的是String类型，String类型也是引用类型，之所以单拿出来是因为它比较特殊。传递的是引用，在方法内此引用的内存的地址被改为"xxx"按理说，最后输出变量的值应该为"xxx"，但结果却不是这样，这就是String类型特殊的地方，这是为什么呢？
String在JVM的方法区的元空间有一个常量池，在对String变量赋值时，原则就是在常量池去寻找相同的值，有则引用，没有则创建。在方法中，“xxx”在元空间并不存在，（元空间中只存在"abc"）所以，就会在常量池重新开辟一个地址，然后在str指向新的地址，但函数内的str只在函数内有效，原str指向的内容并未被破坏，因此值依然为abc。

思考：如果改成这样，那么底层的引用关系是怎样的呢？

引用拷贝

引用拷贝是直接复制栈中指向堆内存的地址，例如：Object o1=new Object（），左边的变量在栈空间的地址为0x001，右边对象在堆空间的地址为 0x100，这时进行引用复制，Object o2=o1，这时没有进行new，在栈空间开辟了一个新地址 0x002，但堆内存还是之前的0x100。这时，如果我操作o2，堆内存的数据就会发生变化，这时，同样指向此堆空间的还有o1对象，因此o1的数据也会发生变化。
在这里插入图片描述

代码演示：（这里使用lombok只为简化代码，对结果没有影响）
在这里插入图片描述
结果：

可以证明：在复制了原对象进行引用拷贝后，修改副本但原对象却发生变化，可以证明只是栈空间进行了复制，引用同一个堆空间。

对象拷贝

对象拷贝包括深拷贝与浅拷贝。都是重新在堆空间又开辟了一个空间，但拷贝的深度不同。概括来说：深拷贝就是将对象中包含的其他对象也开辟堆空间进行拷贝，浅拷贝只开辟空间重新存储此对象的中的信息，至于此对象中的其他对象采用的是引用拷贝。
注意：无论是神拷贝还是浅拷贝类都需要实现 Cloneable 接口，重写Clone（）方法

浅拷贝

浅拷贝只需要要考虑要复制的对象，而不会关心对象中的其他对象。
如图：这是在对象中不含有其他对象的浅拷贝，拷贝后，原型与副本是两个独立的空间，对副本的修改不会影响到原型对象
在这里插入图片描述
代码演示：

public class Application {
    
    

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        Teacher t1 = new Teacher().setName("老师1").setAge(100);
        Teacher t2 = (Teacher) t1.clone();
        System.out.println("复制后的副本"+t2);
        t1.setName("测试");
        System.out.println("修改后的原型"+t1);
        System.out.println("原型修改后的副本"+t2);
    }
}

@Data
@Accessors(chain = true)
@ToString
class Teacher implements Cloneable{
    
    
    private String name;
    private int age;
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    
    
        return super.clone();
    }
}

结果:
在这里插入图片描述

思考：如果对象中不含有其他对象，那浅拷贝与深拷贝的效果岂不是一样？
思考：其他类的对象作为此类的属性，那么其他类的对象发生修改，此类会不会发生修改？或者或，属性的值是使用的是原对象堆空间还是一个新堆空间？
是原对象的堆空间，对原对象发生改动，会影响到类中作为属性的对象
代码演示：
在这里插入图片描述

如图：浅拷贝对象中含有其他对象的情况
在这里插入图片描述
代码演示：

public class Application {
    
    

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        Teacher teacher = new Teacher().setName("老师1").setAge(100);
        Student s1 = new Student().setName("学生1").setAge(20).setTeacher(teacher);

        Student s2=s1.clone();
      

        s1.getTeacher().setName("原型中属性对象发生修改");

        System.out.println("复制后 原型修改为"+s1);
        System.out.println("复制 并原型修改后 副本"+s2);
    }
}

@Data
@Accessors(chain = true)
@ToString
class Teacher{
    
    
    private String name;
    private int age;
}
@Data
@Accessors(chain = true)
@ToString
class Student implements Cloneable{
    
    
    private String name;
    private int age;
    private Teacher teacher;
    @Override
    protected Student clone() throws CloneNotSupportedException {
    
    
        return (Student)super.clone();
    }
}

结果：复制了原型后，对副本发生改动
在这里插入图片描述

思考：如果对原型对象的name属性发生修改，副本的name属性会不会发生修改？或者说，clone()后的String类型数据，是深拷贝还是浅拷贝？
因为是浅拷贝，不是引用拷贝，对象中基本数据数据类型会被重新复制到一个独立的堆空间中，由于name是String类型，虽然不是基本数据类型，但String在方法区有常量池，由属性指向它的地址。那按照引用对象的常理说，原型与副本都是保存的name的地址空间，如果在原型中将name的值改变，由于指向同一块地址，副本的name值也应该改变。但String特别不同的是，如果将原型将name值修改，并不会将在原地址修改，而是又重新开辟一个地址存放修改的值，然后再重新指向这个新地址。这样，原型和副本的String类型指向的地址就会不相同，任何一方的String值修改都不会影响到另一方。
思考：在这个例子中，如果我直接去修改Teacher对象的name，原型与副本中Teacher属性会不会发生改变？
由于原型和副本指向的是同一个Teacher对象地址，原型修改，Teacher对象自己修改，副本修改，任何一方修改值都会影响到其他两方。

深拷贝

递归拷贝，将这个对象中所有其他对象也拷贝一份在堆空间中独立存储。深拷贝相比于浅拷贝速度较慢并且花销较大。

如图：
在这里插入图片描述
代码演示：深拷贝具体怎样拷贝，需要在clone（）方法中定义，并不是一味的将所有引用对象都复制一份，也可以自己选择性的复制。

public class Application {
    
    

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        Teacher teacher = new Teacher().setName("老师1").setAge(100);
        Student s1 = new Student().setName("学生1").setAge(20).setTeacher(teacher);

        Student s2=s1.clone();
        
        teacher.setName("测试");
        System.out.println(s1);
        System.out.println(s2);

    }
}

@Data
@Accessors(chain = true)
@ToString
class Teacher implements Cloneable{
    
    
    private String name;
    private int age;

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    
    
        return super.clone();
    }
}
@Data
@Accessors(chain = true)
@ToString
class Student implements Cloneable{
    
    
    private String name;
    private int age;
    private Teacher teacher;
    @Override
    protected Student clone() throws CloneNotSupportedException {
    
    
        Teacher teacher = (Teacher) this.teacher.clone(); //注意：这里指定了对Teacher属性的引用进行复制 ，要求teacher属性也要实现Cloneable接口
        Student student = (Student) super.clone(); // 再重新将复制出的，设置给副本对象student
        student.setTeacher(teacher);
        return student;
    }
}

结果：对Teacher修改没有影响到深拷贝的对象。
在这里插入图片描述

思考：如果这时这样互换会发生什么？为什么这样？
在这里插入图片描述
结果：

因为在拷贝原型作为副本时，是以原型当前状态作为拷贝的，在原型拷贝前其引用的对象name属性已经发生了改变，这时在进行拷贝，副本中拷贝来的也是改变后的数据

原型模式

原型模式第一件事想到的就是克隆，就在原来的基础上直接复制出和它一模一样的出来。假设这里有一份原型文件，从原型A复制出文件a，文件b，文件c。对这a,b,c三个文件任意的修改都不会影响到原型文件。
原型模式的好处有哪些呢？
如果原型对象是从数据库中查取出来的，那么如果再想去在获取这个相同的对象，就需要再次查询一次数据库。那如果有1次，100次呢？因此可以从原对象拷贝。至于是深拷贝还是浅拷贝要根据实际情况，上面已经介绍，这里不再赘述。
克隆出一个对象虽然也占据了堆内存的空间（相互不会干扰的原因），但相比于重新new再恢复至原型状态少了很多步骤，效率更高。
思考：为什么要从原型对象中拷贝，而不是直接拿原型来使用？这样不是更加节省资源吗？
如果全局中的对象不是进行拷贝获取的，而是从栈复制一份原对象在堆空间的地址。如果在一个地方，对原型对象发生了修改，全部的对象都将发生修改。
原型模式是创建模式的一种，它的核心就是在多处使用同一个对象时，为了防止对原对象的修改使得全局对象发生变化，将原型保护起来，按照原型克隆出一个个副本去使用。就像博物馆为了防止原物的损坏，通常会一比一做出多个模型去展示，这样既能通过模型知道到原型的样子，而且即使模型坏了也不会影响到原型和其他模型。那为什么不直接再造一个相同的原物呢？肯定是创建一个原物的难度要远远大于克隆一个原物啊。因此，原型模式有以下几个使用场景：

资源优化场景：
类的初始化相较于克隆一个对象要花费更多的资源。
安全问题：
创建一个新的对象需要更多的权限，或者说想要恢复至原对象数据有权限问题
一个对象被多个修改者修改
一个对象可能被多处使用，而在使用时可能会对对象发生修改，而如果多个对象间是引用指向的是堆空间中同一块地址，那么全局使用的此对象都将发生变化。如果不想发生变化，创建新对象再赋值由耗费资源。这时就可以使用原型模式

原型模式通常要配合工厂模式使用，原型模式生产出克隆对象，再由工厂模式交给使用者。

下面使用代码演示在原型类上进行修改产生的问题：
例如：我要从数据库中查询一条数据封装到一个pojo对象中，为了减少系统压力，只查询一次数据库，这个对象会被多个地方访问，修改。

public class Application {
    
    

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        MyMyBatis myMyBatis = new MyMyBatis();
        User u1 = myMyBatis.getByDB("张三");
        u1.setAge(0);
        User u2 = myMyBatis.getByDB("张三");
        System.out.println(u1 == u2);
        System.out.println(u2);
    }
}
class MyMyBatis {
    
    
   HashMap<String,User>userHashMap=new HashMap<String, User>();
    User getByDB(String name) {
    
    
    // 模拟这里查询库，为了减少数据库的开销,同一个name只创建一个对象，然后放在map中，向外提供方法供到处使用
        User user = userHashMap.get(name);
        if(user==null){
    
    
            User u1 = new User().setUsername(name).setAge(100);
            user=u1;
            userHashMap.put(name,user);
        }
        return user;
    }
}
@Data
@ToString
@Accessors(chain = true)
class User {
    
    
    private String username;
    private int age;
}

结果：
在这里插入图片描述
有一个地方修改了此对象，另一个地方获取的还是此对象，一个对象到处共用，这就使得修改对象使得在另一个地方是可见的。
思考：为什么两次调用方法从userHashMap中获取的对象是同一个？
userHashMap中存放的是对象的地址，是在第一次new开启堆空间后将name作为key，值为对象地址存放在hashMap中，每次获取对象都是同一个对象即同一个堆地址。在一个地方对该地址的数据进行修改，这就使得其他地方通过该地址获取的数据是被更改后的。

使用单例模式对上面进行改装：

public class Application {
    
    

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        MyMyBatis myMyBatis = new MyMyBatis();
        User u1 = myMyBatis.getByDB("张三");
        u1.setAge(0);
        User u2 = myMyBatis.getByDB("张三");
        System.out.println(u1 == u2);
        System.out.println(u2);
    }
}

class MyMyBatis {
    
    
    private HashMap<String,User> hashMap=new HashMap<>();
    User getByDB(String name) throws CloneNotSupportedException {
    
    
        User user=hashMap.get(name);
        User user1=null;

        if(user==null){
    
    

            user = new User().setUsername(name).setAge(100);
            hashMap.put(name,user);
            hashMap.put(name,user);
        }
        user1= (User) user.clone();
        return user1;
    }
}
@Data
@ToString
@Accessors(chain = true)
class User implements Cloneable{
    
    
    private String username;
    private int age;
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    
    
        return super.clone();
    }
}

结果：
在这里插入图片描述
将原型保护起来，克隆出多个对象向外提供，一个克隆对象的修改不会影响到其他其他对象和原型。
思考：为什么克隆对象间不会相互影响？
因为每一个克隆对象与原型在堆内存中都是一个个独立的空间。