设计模式@第7章：原型模式

第7章：原型模式

克隆羊问题

现在有一只羊 tom，姓名为: tom, 年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊 属性完全相同的 10

只羊。

二、传统方式解决克隆羊问题

• 思路分析(图解)

• 看老师代码的演示

  首先是 Sheep 实体类

  package com.gjxaiou.prototype;
  
  public class Sheep {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
    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 String getColor() {
        return color;
    }
    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + "]";
    }
  }
  

然后创建同属性的 Sheep：

package com.gjxaiou.prototype;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {

        //传统的方法
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
        Sheep sheep2 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor()); 
        Sheep sheep3 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor()); 
        Sheep sheep4 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep5 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        //....

        System.out.println(sheep); 
        System.out.println(sheep2); 
        System.out.println(sheep3); 
        System.out.println(sheep4); 
        System.out.println(sheep5);
        //...
    }
}

三、传统的方式的优缺点

• 优点是比较好理解，简单易操作。
• 在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低
• 总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活
• 改进的思路分析

思路：Java 中 Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone()方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是需要实现 clone 的Java 类必须要实现一个接口Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 =>原型模式

四、原型模式-基本介绍

• 原型模式(Prototype 模式)是指：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；
• 原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节；
• 工作原理是:通过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；它们自己来实施创建，即 对象.clone()
• 形象的理解：孙大圣拔出猴毛， 变出其它孙大圣；

五、原型模式原理结构图-uml 类图

• 原理结构图说明
  • Prototype : 原型类，声明一个克隆自己的接口
  • ConcretePrototype: 具体的原型类, 实现一个克隆自己的操作
  • Client: 让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象(属性一样）

六、原型模式解决克隆羊问题的应用实例

使用原型模式改进传统方式，让程序具有更高的效率和扩展性。

代码实现
首先是 Sheep 实体类：

package com.gjxaiou.prototype.improve;

public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private String address = "蒙古羊";
    public Sheep friend; //是对象, 克隆是会如何处理

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    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 String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }


    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep [name=" + name + ", age=" + age + ", color=" + color + ", address=" + address + "]";
    }

    //克隆该实例，使用默认的clone方法来完成，此处为浅复制
    @Override
    protected Object clone() {

        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep) super.clone();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        return sheep;
    }
}

克隆方法与验证：

package com.gjxaiou.prototype.improve;

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("原型模式完成对象的创建");
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
        sheep.friend = new Sheep("jack", 2, "黑色");

        Sheep sheep2 = (Sheep) sheep.clone(); //克隆
        Sheep sheep3 = (Sheep) sheep.clone(); //克隆
        Sheep sheep4 = (Sheep) sheep.clone(); //克隆
        Sheep sheep5 = (Sheep) sheep.clone(); //克隆

        System.out.println("sheep2 =" + sheep2 + "sheep2.friend=" + sheep2.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep3 =" + sheep3 + "sheep3.friend=" + sheep3.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep4 =" + sheep4 + "sheep4.friend=" + sheep4.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep5 =" + sheep5 + "sheep5.friend=" + sheep5.friend.hashCode());
    }
}

七、原型模式在 Spring 框架中源码分析

1) Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式的应用

P119

八、深入讨论-浅拷贝和深拷贝

（一）浅拷贝的介绍

• 对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。

• 对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值

• 前面我们克隆羊就是浅拷贝

• 浅拷贝是使用默认的 clone()方法来实现sheep = (Sheep) super.clone();

（二）深拷贝基本介绍

• 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值

• 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝

• 深拷贝实现方式 1：重写 clone 方法来实现深拷贝

• 深拷贝实现方式 2：通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

九、深拷贝应用实例

• 使用 重写 clone 方法实现深拷贝
• 使用序列化来实现深拷贝
• 代码演示

该类中仅仅有 String 类型的成员变量，因此直接使用 Clone 方法即可；

package com.gjxaiou.prototype.deepclone;

import java.io.Serializable;

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    private String cloneName;

    private String cloneClass;

    //构造器
    public DeepCloneableTarget(String cloneName, String cloneClass) {
        this.cloneName = cloneName;
        this.cloneClass = cloneClass;
    }

    //因为该类的属性，都是String , 因此我们这里使用默认的clone完成即可
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

该类中除了基本数据类型 和 String 之外，还包含对象，使用两种方式实现深克隆：

package com.gjxaiou.prototype.deepclone;

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable{
    public String name;
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;
    public DeepProtoType() {
        super();
    }
    
    
    //深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object deep = null;
        //这里完成对基本数据类型(属性)和String的克隆
        deep = super.clone(); 
        //对引用类型的属性，进行单独处理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget  = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();
        return deepProtoType;
    }
    
    //深拷贝 - 方式2 通过对象的序列化实现 (推荐)
    public Object deepClone() {
        //创建流对象
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        // 字节输入流
        ByteArrayInputStream bis = null;
        // 对象输入流
        ObjectInputStream ois = null;
        
        try {
            //序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            // 将字节数组输出流转换为对象输出流
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            //当前这个对象以对象流的方式输出
            oos.writeObject(this);
            
            //反序列化
                // 将输出流再反过来读进来，相当于对象的克隆
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepProtoType copyObj = (DeepProtoType)ois.readObject();
            return copyObj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            //关闭流
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
}

分别对两种方式进行测试：

package com.gjxaiou.prototype.deepclone;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DeepProtoType p = new DeepProtoType();
        p.name = "宋江";
        p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");
        
        //方式1 完成深拷贝
        
//      DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
//      System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
//      System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
    
        //方式2 完成深拷贝
        DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.deepClone();
        System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
    }
}

十、原型模式的注意事项和细节

• 创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率
• 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
• 如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码
• 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码
• 缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了 ocp 原则，这点请同学们注意.