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原型模式的简介
在使用原型模式时，我们需要首先创建一个原型对象，再通过复制这个原型对象来创建更多同类型的对象。试想，如果连孙悟空的模样都不知道，怎么拔毛变小猴子呢？原型模式的定义如下： 原型模式(Prototype Pattern)：使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。原型模式是一种对象创建型模式。
原型模式的工作原理很简单：将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝自己来实现创建过程。由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。原型模式是一种“另类”的创建型模式，创建克隆对象的工厂就是原型类自身，工厂方法由克隆方法来实现。
需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址，通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响，每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。
原型模式的抽象代码
在原型模式结构图中包含如下几个角色：
●Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
● ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
● Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便。
原型模式的核心在于如何实现克隆方法，下面将介绍两种在Java语言中常用的克隆实现方法：
1.通用实现方法
通用的克隆实现方法是在具体原型类的克隆方法中实例化一个与自身类型相同的对象并将其返回，并将相关的参数传入新创建的对象中，保证它们的成员属性相同。示意代码如下所示：
class ConcretePrototype implements Prototype
{
private String attr; //成员属性
public void setAttr(String attr)
{
this.attr = attr;
}
public String getAttr()
{
return this.attr;
}
public Prototype clone() //克隆方法
{
Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
prototype.setAttr(this.attr);
return prototype;
}
}原型模式的具体代码
拷贝一个日志，日志（log）有内容（content）和人（Person），人里有姓名（name）和年龄（age）
Person类
有属性name和age和get，set方法和toString方法
还有clone方法，新建一个Person类，属性和现在类的一样
package algorithm.designpattern.p20prototypepattern.common;
public class Person
{
String name;
int age;
public String getName()
{
return name;
}
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
public int getAge()
{
return age;
}
public void setAge(int age)
{
this.age = age;
}
public Person clone(){
Person person=new Person();
person.setAge(age);
person.setName(name);
return person;
}
@Override
public String toString()
{
return "Person [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}
Log类
有Person和content属性和对应的方法
clone方法，新建一个log对象，person为现在的person的clone方法返回的对象，
package algorithm.designpattern.p20prototypepattern.common;
public class Log
{
Person person;
String content;
public Person getPerson()
{
return person;
}
public void setPerson(Person person)
{
this.person = person;
}
public String getContent()
{
return content;
}
public void setContent(String content)
{
this.content = content;
}
public Log clone(){
Log log=new Log();
log.setContent(content);
log.setPerson(person.clone());
return log;
}
@Override
public String toString()
{
return "Log [person=" + person + ", content=" + content + "]";
}
}
测试类
可以看到这种clone不仅返回的对象的地址不一样，类的成员变量的地址也不一样
package algorithm.designpattern.p20prototypepattern.common;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Person person=new Person();
person.setAge(10);
person.setName("alice");
Log log=new Log();
log.setContent("open bubble");
log.setPerson(person);
System.out.println(log);
Log clone=log.clone();
System.out.println(clone);
System.out.println(log==clone);
System.out.println(log.person==clone.person);
}
}
Log [person=Person [name=alice, age=10], content=open bubble]
Log [person=Person [name=alice, age=10], content=open bubble]
false
false
原型模式的java浅拷贝
Java语言提供的clone()方法
学过Java语言的人都知道，所有的Java类都继承自java.lang.Object。事实上，Object类提供一个clone()方法，可以将一个Java对象复制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的克隆，Java语言中的原型模式实现很简单。
需要注意的是能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法，Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。
一般而言，Java语言中的clone()方法满足：
(1) 对任何对象x，都有x.clone() != x，即克隆对象与原型对象不是同一个对象；
(2) 对任何对象x，都有x.clone().getClass() == x.getClass()，即克隆对象与原型对象的类型一样；
(3) 如果对象x的equals()方法定义恰当，那么x.clone().equals(x)应该成立。
为了获取对象的一份拷贝，我们可以直接利用Object类的clone()方法，具体步骤如下：
(1) 在派生类中覆盖基类的clone()方法，并声明为public；
(2) 在派生类的clone()方法中，调用super.clone()；
(3)派生类需实现Cloneable接口。
此时，Object类相当于抽象原型类，所有实现了Cloneable接口的类相当于具体原型类。
注意：
在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有复制。
在Java语言中，通过覆盖Object类的clone()方法可以实现浅克隆。
现在Log类的clone方法只用super.clone()，
package algorithm.designpattern.p20prototypepattern.shallow;
public class Log implements Cloneable
{
Person person;
String content;
public Person getPerson()
{
return person;
}
public void setPerson(Person person)
{
this.person = person;
}
public String getContent()
{
return content;
}
public void setContent(String content)
{
this.content = content;
}
public Log clone(){
Log log=null;
try
{
log=(Log)super.clone();
} catch (Exception e)
{
}
return log;
}
@Override
public String toString()
{
return "Log [person=" + person + ", content=" + content + "]";
}
}
测试结果
可以看到克隆后的对象的person与原来的那个是同一个
package algorithm.designpattern.p20prototypepattern.shallow;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Person person=new Person();
person.setAge(10);
person.setName("alice");
Log log=new Log();
log.setContent("open bubble");
log.setPerson(person);
System.out.println(log);
Log clone=log.clone();
System.out.println(clone);
System.out.println(log==clone);
System.out.println(log.person==clone.person);
}
}
Log [person=Person [name=alice, age=10], content=open bubble]
Log [person=Person [name=alice, age=10], content=open bubble]
false
true
原型模式的java深拷贝
在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制
在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。下面我们使用深克隆技术来实现工作周报和附件对象的复制，由于要将附件对象和工作周报对象都写入流中，因此两个类均需要实现Serializable接口
Log类
使用流来打印传输类
package algorithm.designpattern.p20prototypepattern.deep;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;
public class Log implements Serializable
{
Person person;
String content;
public Person getPerson()
{
return person;
}
public void setPerson(Person person)
{
this.person = person;
}
public String getContent()
{
return content;
}
public void setContent(String content)
{
this.content = content;
}
public Log clone() {
try
{
ByteArrayOutputStream out=new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream objectOut=new ObjectOutputStream(out);
objectOut.writeObject(this);
ObjectInputStream in=new ObjectInputStream(
new ByteArrayInputStream(out.toByteArray()));
Log log=(Log)in.readObject();
return log;
} catch (Exception e)
{
return null;
}
}
@Override
public String toString()
{
return "Log [person=" + person + ", content=" + content + "]";
}
}
测试结果
说明person变量是个新的
Log [person=Person [name=alice, age=10], content=open bubble]
Log [person=Person [name=alice, age=10], content=open bubble]
false
false
原型模式的优点
(1) 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
(2) 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
(3) 原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
(4) 可以使用深克隆的方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来，以便在需要的时候使用（如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。
原型模式的缺点
(1) 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。
(2) 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。
原型模式的适用场景
原型模式作为一种快速创建大量相同或相似对象的方式，在软件开发中应用较为广泛，很多软件提供的复制(Ctrl + C)和粘贴(Ctrl + V)操作就是原型模式的典型应用
(1) 创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
(2) 如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
(3) 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。