Java設(shè)計模式之java原型模式詳解
更新時間：2021年09月15日 17:00:58 作者：大忽悠愛忽悠
這篇文章主要介紹了Java設(shè)計模式之原型模式詳解,文中有非常詳細的代碼示例,對正在學(xué)習(xí)java的小伙伴們有非常好的幫助,需要的朋友可以參考下
介紹
原型模式(Prototype Pattern)：使用原型實例指定創(chuàng)建對象的種類，并且通過拷貝這些原型創(chuàng)建新的對象。原型模式是一種對象創(chuàng)建型模式。
原型模式的工作原理很簡單：將一個原型對象傳給那個要發(fā)動創(chuàng)建的對象，這個要發(fā)動創(chuàng)建的對象通過請求原型對象拷貝自己來實現(xiàn)創(chuàng)建過程。
原型模式是一種“另類”的創(chuàng)建型模式，創(chuàng)建克隆對象的工廠就是原型類自身，工廠方法由克隆方法來實現(xiàn)。
需要注意的是通過克隆方法所創(chuàng)建的對象是全新的對象，它們在內(nèi)存中擁有新的地址，通常對克隆所產(chǎn)生的對象進行修改對原型對象不會造成任何影響，每一個克隆對象都是相互獨立的。通過不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的對象。
角色
Prototype（抽象原型類）：它是聲明克隆方法的接口，是所有具體原型類的公共父類，可以是抽象類也可以是接口，甚至還可以是具體實現(xiàn)類。ConcretePrototype（具體原型類）：它實現(xiàn)在抽象原型類中聲明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一個克隆對象。Client（客戶類）：讓一個原型對象克隆自身從而創(chuàng)建一個新的對象，在客戶類中只需要直接實例化或通過工廠方法等方式創(chuàng)建一個原型對象，再通過調(diào)用該對象的克隆方法即可得到多個相同的對象。由于客戶類針對抽象原型類Prototype編程，因此用戶可以根據(jù)需要選擇具體原型類，系統(tǒng)具有較好的可擴展性，增加或更換具體原型類都很方便。
原型模式的核心在于如何實現(xiàn)克隆方法。
Java語言提供的clone()方法
學(xué)過Java語言的人都知道，所有的Java類都繼承自 java.lang.Object。事實上，Object 類提供一個 clone() 方法，可以將一個Java對象復(fù)制一份。因此在Java中可以直接使用 Object 提供的 clone() 方法來實現(xiàn)對象的克隆，Java語言中的原型模式實現(xiàn)很簡單。
需要注意的是能夠?qū)崿F(xiàn)克隆的Java類必須實現(xiàn)一個 標(biāo)識接口 Cloneable，表示這個Java類支持被復(fù)制。如果一個類沒有實現(xiàn)這個接口但是調(diào)用了clone()方法，Java編譯器將拋出一個 CloneNotSupportedException 異常。
代碼演示—克隆羊
具體原型類:
//實現(xiàn)Cloneable接口
@Data
public class Sheep implements Cloneable
{
private String name;
private Integer age;
//重寫Object的clone方法
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException
{
Sheep sheep=null;
sheep=(Sheep)super.clone();
return sheep;
}
}
客戶端創(chuàng)建并克隆原型對象：
//創(chuàng)建原型對象
Sheep sheep=new Sheep();
sheep.setAge(3);
sheep.setName("肖恩");
//克隆
Sheep sheep1 = sheep.clone();
Sheep sheep2=sheep.clone();
System.out.println(sheep1);
System.out.println(sheep2);
System.out.println(sheep1==sheep2);
結(jié)論
- 克隆出來的對象，它們的內(nèi)存地址均不同，說明不是同一個對象，克隆成功，克隆僅僅通過調(diào)用 super.clone() 即可。
看一眼 Object#clone 方法
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
這是一個 native 關(guān)鍵字修飾的方法
一般而言，Java語言中的clone()方法滿足：
- 對任何對象x，都有 x.clone() != x，即克隆對象與原型對象不是同一個對象；
- 對任何對象x，都有 x.clone().getClass() == x.getClass()，即克隆對象與原型對象的類型一樣；
- 如果對象x的 equals() 方法定義恰當(dāng)，那么 x.clone().equals(x) 應(yīng)該成立。
- 為了獲取對象的一份拷貝，我們可以直接利用Object類的clone()方法，具體步驟如下：
在派生類中覆蓋基類的 clone() 方法，并聲明為public；
在派生類的 clone() 方法中，調(diào)用 super.clone()；
派生類需實現(xiàn)Cloneable接口。
此時，Object類相當(dāng)于抽象原型類，所有實現(xiàn)了Cloneable接口的類相當(dāng)于具體原型類。
深淺拷貝
pig類:
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class Pig
{
String name;
Integer age;
}
sheep類:
//實現(xiàn)Cloneable接口
@Data
public class Sheep implements Cloneable
{
private String name;
private Integer age;
private Pig pig;
//重寫Object的clone方法
@Override
protected Sheep clone() throws CloneNotSupportedException
{
Sheep sheep=null;
sheep=(Sheep)super.clone();
return sheep;
}
}
客戶端進行克隆:
public class test
{
@Test
public void test() throws CloneNotSupportedException {
//創(chuàng)建原型對象
Sheep sheep=new Sheep();
sheep.setAge(3);
sheep.setName("肖恩");
sheep.setPig(new Pig("大忽悠",3));
//克隆
Sheep sheep1 = sheep.clone();
Sheep sheep2=sheep.clone();
System.out.println(sheep1);
System.out.println(sheep2);
System.out.println(sheep1==sheep2);
System.out.println("==============================");
System.out.println(sheep1.getPig()==sheep2.getPig());
}
}
這里對Sheep類里面的引用類型Pig的克隆方式只是簡單的地址拷貝，即淺拷貝操作
深淺拷貝探討
淺克?。?/strong>
- 在淺克隆中，如果原型對象的成員變量是值類型，將復(fù)制一份給克隆對象；如果原型對象的成員變量是引用類型，則將引用對象的地址復(fù)制一份給克隆對象，也就是說原型對象和克隆對象的成員變量指向相同的內(nèi)存地址。
- 簡單來說，在淺克隆中，當(dāng)對象被復(fù)制時只復(fù)制它本身和其中包含的值類型的成員變量，而引用類型的成員對象并沒有復(fù)制。
- 在Java語言中，通過覆蓋Object類的clone()方法可以實現(xiàn)淺克隆
深克?。?/strong>
- 在深克隆中，無論原型對象的成員變量是值類型還是引用類型，都將復(fù)制一份給克隆對象，深克隆將原型對象的所有引用對象也復(fù)制一份給克隆對象。
- 簡單來說，在深克隆中，除了對象本身被復(fù)制外，對象所包含的所有成員變量也將復(fù)制。
- 在Java語言中，如果需要實現(xiàn)深克隆，可以通過序列化(Serialization)等方式來實現(xiàn)。需要注意的是能夠?qū)崿F(xiàn)序列化的對象其類必須實現(xiàn)Serializable接口，否則無法實現(xiàn)序列化操作。
實現(xiàn)深克隆的方式一 ： 手動對引用對象進行克隆
Pig類首先需要實現(xiàn)克隆即可，并重寫clone方法:
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class Pig implements Cloneable
{
String name;
Integer age;
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
sheep類:
//實現(xiàn)Cloneable接口
@Data
public class Sheep implements Cloneable
{
private String name;
private Integer age;
private Pig pig;
//重寫Object的clone方法
@Override
protected Sheep clone() throws CloneNotSupportedException
{
Sheep sheep=null;
sheep=(Sheep)super.clone();
sheep.pig=(Pig)sheep.pig.clone();
return sheep;
}
}
實現(xiàn)深克隆的方式一 ：序列化
對象可以序列化的前提是實現(xiàn)了Serializable接口，這里Sheep和Pig都需要實現(xiàn)該接口
pig類:
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class Pig implements Serializable
{
String name;
Integer age;
}
sheep類:
//實現(xiàn)Cloneable接口
@Data
public class Sheep implements Serializable
{
private String name;
private Integer age;
private Pig pig;
//序列化方式完成深拷貝
public Sheep deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
//先將要序列化的對象寫入流中
ByteArrayOutputStream baot=new ByteArrayOutputStream();
//ObjectOutputStream構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)是，將對象流寫入到哪里
ObjectOutputStream oot=new ObjectOutputStream(baot);
oot.writeObject(this);
//將序列化的對象從流中讀取出來
ByteArrayInputStream bait=new ByteArrayInputStream(baot.toByteArray());
ObjectInputStream oit=new ObjectInputStream(bait);
return (Sheep) oit.readObject();
}
}
原型模式對單例模式的破壞
餓漢式單例模式如下：
public class HungrySingleton implements Serializable, Cloneable {
private final static HungrySingleton hungrySingleton;
static {
hungrySingleton = new HungrySingleton();
}
private HungrySingleton()
{}
public static HungrySingleton getInstance() {
return hungrySingleton;
}
private Object readResolve() {
return hungrySingleton;
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
使用反射獲取對象，測試如下
public class Test {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
HungrySingleton hungrySingleton = HungrySingleton.getInstance();
Method method = hungrySingleton.getClass().getDeclaredMethod("clone");
method.setAccessible(true);
HungrySingleton cloneHungrySingleton = (HungrySingleton) method.invoke(hungrySingleton);
System.out.println(hungrySingleton);
System.out.println(cloneHungrySingleton);
}
}
輸出
com.designpattern.HungrySingleton@34c45dca
com.designpattern.HungrySingleton@52cc8049
可以看到，通過原型模式，我們把單例模式給破壞了，現(xiàn)在有兩個對象了
為了防止單例模式被破壞，我們可以：不實現(xiàn) Cloneable 接口；或者把 clone 方法改為如下
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return getInstance();
}
優(yōu)缺點
原型模式的主要優(yōu)點如下：
- 當(dāng)創(chuàng)建新的對象實例較為復(fù)雜時，使用原型模式可以簡化對象的創(chuàng)建過程，通過復(fù)制一個已有實例可以提高新實例的創(chuàng)建效率。
- 擴展性較好，由于在原型模式中提供了抽象原型類，在客戶端可以針對抽象原型類進行編程，而將具體原型類寫在配置文件中，增加或減少產(chǎn)品類對原有系統(tǒng)都沒有任何影響。
- 原型模式提供了簡化的創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，工廠方法模式常常需要有一個與產(chǎn)品類等級結(jié)構(gòu)相同的工廠等級結(jié)構(gòu)，而原型模式就不需要這樣，原型模式中產(chǎn)品的復(fù)制是通過封裝在原型類中的克隆方法實現(xiàn)的，無須專門的工廠類來創(chuàng)建產(chǎn)品。
- 可以使用深克隆的方式保存對象的狀態(tài)，使用原型模式將對象復(fù)制一份并將其狀態(tài)保存起來，以便在需要的時候使用（如恢復(fù)到某一歷史狀態(tài)），可輔助實現(xiàn)撤銷操作。
原型模式的主要缺點如下：
- 需要為每一個類配備一個克隆方法，而且該克隆方法位于一個類的內(nèi)部，當(dāng)對已有的類進行改造時，需要修改源代碼，違背了“開閉原則”。
- 在實現(xiàn)深克隆時需要編寫較為復(fù)雜的代碼，而且當(dāng)對象之間存在多重的嵌套引用時，為了實現(xiàn)深克隆，每一層對象對應(yīng)的類都必須支持深克隆，實現(xiàn)起來可能會比較麻煩。
適用場景
- 創(chuàng)建新對象成本較大（如初始化需要占用較長的時間，占用太多的CPU資源或網(wǎng)絡(luò)資源），新的對象可以通過原型模式對已有對象進行復(fù)制來獲得，如果是相似對象，則可以對其成員變量稍作修改。
- 如果系統(tǒng)要保存對象的狀態(tài)，而對象的狀態(tài)變化很小，或者對象本身占用內(nèi)存較少時，可以使用原型模式配合備忘錄模式來實現(xiàn)。
- 需要避免使用分層次的工廠類來創(chuàng)建分層次的對象，并且類的實例對象只有一個或很少的幾個組合狀態(tài)，通過復(fù)制原型對象得到新實例可能比使用構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個新實例更加方便。
原型模式在Spring中的應(yīng)用場景
在Spring中，用戶也可以采用原型模式來創(chuàng)建新的Bean實例，從而實現(xiàn)每次獲取的是通過克隆生成的新實例，對其進行修改時對原有實例對象不造成任何影響。
這里的原型模式，也就是常說的Spring中的多實例模式，Spring中還有大家熟知的單實例模式，即Sigleton
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！
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