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【设计模式-原型】

article 2024/10/24 0:00:52

**原型模式（Prototype Pattern）**是一种创建型设计模式，旨在通过复制现有对象的方式来创建新对象，而不是通过实例化类来创建对象。该模式允许对象通过克隆（复制）来创建新的实例，因此避免了重新创建对象带来的开销，尤其在对象创建复杂、耗时的情况下。

1. 定义

原型模式使用一个现有的对象作为原型，创建新对象时，通过克隆该对象来生成新对象。这个模式提供了一个接口来复制已有对象，并允许客户端通过该接口请求复制对象。

2. 原型模式的结构

原型模式主要包含以下几个部分：

Prototype（原型接口）：定义了一个 clone() 方法，用于克隆自身。具体实现可以是浅拷贝或深拷贝。
ConcretePrototype（具体原型类）：实现了 Prototype 接口，并实现 clone() 方法。通常使用 Java 的 Cloneable 接口来实现克隆。
Client（客户端）：通过调用原型的 clone() 方法来获取对象，而不是直接通过构造函数创建对象。

3. 原型模式的工作原理

原型模式的关键在于提供一个能够复制自身的原型接口，并在具体类中实现该接口的 clone() 方法。通过克隆现有对象来创建新对象，这样既节省了资源，又能提高系统性能。

3.1 浅拷贝 vs 深拷贝

浅拷贝：复制对象时，拷贝所有字段，但如果字段是对象类型，则只复制对象的引用。换句话说，浅拷贝只是复制了对象的内存地址，因此新旧对象共享相同的引用类型字段。
深拷贝：不仅复制字段，还会递归地复制引用类型的对象，确保新对象是独立的，彼此不共享任何状态。

4. 原型模式的 UML 类图

在这里插入图片描述

5. Java 中的原型模式示例

Java 提供了 Cloneable 接口和 Object 类中的 clone() 方法，支持原型模式的实现。

5.1 示例代码

class Prototype implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    
    public Prototype(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    // 实现 clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();  // 浅拷贝
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Prototype{name='" + name + "', age=" + age + "}";
    }
}

public class PrototypePatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建原型对象
            Prototype original = new Prototype("Alice", 25);
            System.out.println("Original Object: " + original);

            // 克隆原型对象
            Prototype clone = (Prototype) original.clone();
            System.out.println("Cloned Object: " + clone);

            // 修改原始对象，会影响克隆对象
            System.out.println("Objects are different: " + (original != clone));
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出：

Original Object: Prototype{name='Alice', age=25}
Cloned Object: Prototype{name='Alice', age=25}
Objects are different: true

5.2 深拷贝示例

class Address implements Cloneable {
    private String city;
    private String country;

    public Address(String city, String country) {
        this.city = city;
        this.country = country;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();  // 浅拷贝
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Address{city='" + city + "', country='" + country + "'}";
    }
}

class Person implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private Address address;

    public Person(String name, int age, Address address) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.address = address;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        // 深拷贝: 克隆引用类型字段
        Person cloned = (Person) super.clone();
        cloned.address = (Address) address.clone();  // 深拷贝 Address 对象
        return cloned;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "', age=" + age + ", address=" + address + "}";
    }
}

public class DeepCopyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建原型对象
            Address address = new Address("New York", "USA");
            Person person1 = new Person("John", 30, address);
            System.out.println("Original: " + person1);

            // 克隆对象
            Person person2 = (Person) person1.clone();
            System.out.println("Cloned: " + person2);

            // 修改原始对象中的地址，不影响克隆对象中的地址
            address.city = "Los Angeles";
            System.out.println("After modifying address:");
            System.out.println("Original: " + person1);
            System.out.println("Cloned: " + person2);
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出：

Original: Person{name='John', age=30, address=Address{city='New York', country='USA'}}
Cloned: Person{name='John', age=30, address=Address{city='New York', country='USA'}}
After modifying address:
Original: Person{name='John', age=30, address=Address{city='Los Angeles', country='USA'}}
Cloned: Person{name='John', age=30, address=Address{city='New York', country='USA'}}