Java面试经验第一季之设计模式——原型模式

原型模式(Prototype):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。

说白了,原型模式是为了解决一些不必要的对象创建过程。

原型模式要求对象实现一个可以“克隆”自身的接口,这样就可以通过复制一个实例对象本身来创建一个新的实例。这样一来,通过原型实例创建新的对象,就不再需要关心这个实例本身的类型,只要实现了克隆自身的方法,就可以通过这个方法来获取新的对象,而无须再去通过new来创建。

原型模式的适用场景:(摘录自《设计模式迷你手册》)

1、当要实例化的类是在运行时刻指定时,例如,通过动态装载;

2、为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时;

3、当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。

Prototype类需要具备以下两个条件:

  • 实现Cloneable接口。在java语言有一个Cloneable接口,它的作用只有一个,就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。

  • 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,Prototype类需要将clone方法的作用域修改为public类型。

原型模式是一种比较简单的模式,也非常容易理解,实现一个接口,重写一个方法即完成了原型模式。在实际应用中,原型模式很少单独出现。经常与其他模式混用,他的原型类Prototype也常用抽象类来替代。

Java面试经验第一季之设计模式——原型模式

原型模式

原型模式创建对象比直接new一个对象在性能上要好的多,因为Object类的clone方法是一个本地方法,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。

使用原型模式的另一个好处是简化对象的创建,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。

因为以上优点,所以在需要重复地创建相似对象时可以考虑使用原型模式。比如需要在一个循环体内创建对象,假如对象创建过程比较复杂或者循环次数很多的话,使用原型模式不但可以简化创建过程,而且可以使系统的整体性能提高很多。

原型模式的注意事项

  • 使用原型模式复制对象不会调用类的构造方法。因为对象的复制是通过调用Object类的clone方法来完成的,它直接在内存中复制数据,因此不会调用到类的构造方法。不但构造方法中的代码不会执行,甚至连访问权限都对原型模式无效。单例模式中,只要将构造方法的访问权限设置为private型,就可以实现单例。但是clone方法直接无视构造方法的权限,所以,单例模式与原型模式是冲突的,在使用时要特别注意。

  • 深拷贝与浅拷贝。Object类的clone方法只会拷贝对象中的基本的数据类型(8种基本数据类型byte,char,short,int,long,float,double,boolean),对于数组、容器对象、引用对象等都不会拷贝,这就是浅拷贝。如果要实现深拷贝,必须将原型模式中的数组、容器对象、引用对象等另行拷贝。

克隆满足的条件

clone()方法将对象复制了一份并返还给调用者。所谓“复制”的含义与clone()方法是怎么实现的。一般而言,clone()方法满足以下的描述:

(1)对任何的对象x,都有:x.clone()!=x。换言之,克隆对象与原对象不是同一个对象。

(2)对任何的对象x,都有:x.clone().getClass() == x.getClass(),换言之,克隆对象与原对象的类型一样。

(3)如果对象x的equals()方法定义其恰当的话,那么x.clone().equals(x)应当成立的。

在JAVA语言的API中,凡是提供了clone()方法的类,都满足上面的这些条件。JAVA语言的设计师在设计自己的clone()方法时,也应当遵守着三个条件。一般来说,上面的三个条件中的前两个是必需的,而第三个是可选的。

浅克隆和深克隆

  无论你是自己实现克隆方法,还是采用Java提供的克隆方法,都存在一个浅度克隆和深度克隆的问题。

  •   浅度克隆

只负责克隆按值传递的数据(比如基本数据类型、String类型),而不复制它所引用的对象,换言之,所有的对其他对象的引用都仍然指向原来的对象。

  •   深度克隆

除了浅度克隆要克隆的值外,还负责克隆引用类型的数据。那些引用其他对象的变量将指向被复制过的新对象,而不再是原有的那些被引用的对象。换言之,深度克隆把要复制的对象所引用的对象都复制了一遍,而这种对被引用到的对象的复制叫做间接复制。

深度克隆要深入到多少层,是一个不易确定的问题。在决定以深度克隆的方式复制一个对象的时候,必须决定对间接复制的对象时采取浅度克隆还是继续采用深度克隆。因此,在采取深度克隆时,需要决定多深才算深。此外,在深度克隆的过程中,很可能会出现循环引用的问题,必须小心处理。

利用序列化实现深度克隆

把对象写到流里的过程是序列化(Serialization)过程;而把对象从流中读出来的过程则叫反序列化(Deserialization)过程。应当指出的是,写到流里的是对象的一个拷贝,而原对象仍然存在于JVM里面。

在Java语言里深度克隆一个对象,常常可以先使对象实现Serializable接口,然后把对象(实际上只是对象的拷贝)写到一个流里(序列化),再从流里读回来(反序列化),便可以重建对象。

public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException{ //将对象写到流里
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
 ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
 oos.writeObject(this); //从流里读回来
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
 ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis); return ois.readObject();
 }

这样做的前提就是对象以及对象内部所有引用到的对象都是可序列化的,否则,就需要仔细考察那些不可序列化的对象可否设成transient,从而将之排除在复制过程之外。

浅度克隆显然比深度克隆更容易实现,因为Java语言的所有类都会继承一个clone()方法,而这个clone()方法所做的正式浅度克隆。

有一些对象,比如线程(Thread)对象或Socket对象,是不能简单复制或共享的。不管是使用浅度克隆还是深度克隆,只要涉及这样的间接对象,就必须把间接对象设成transient而不予复制;或者由程序自行创建出相当的同种对象,权且当做复制件使用。

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