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设计模式之原型模式

article 2024/11/24 17:04:47

原型模式是一种创建型设计模式，它通过复制现有的实例来创建新的对象，而不是通过传统的构造方法。通过这个模式，可以避免重复的初始化操作，尤其适用于当创建一个对象需要耗费较大资源或时间时。原型模式的核心思想是“通过克隆现有对象来创建新的对象”，这样既能减少对象创建的开销，又能保证新对象的创建更加灵活。

1. 原型模式的定义

原型模式的定义为：使用原型实例指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象。具体来说，它的核心是通过实现一个 clone 方法，使得我们可以复制（克隆）对象的状态而无需重新构造。这个方法通常会返回对象的一个副本，而不是重新实例化一个新对象。

2. 原型模式的结构

原型模式通常由以下几个角色组成：

Prototype（原型接口）：定义了一个克隆方法，所有具体的原型类都需要实现这个方法。
ConcretePrototype（具体原型）：实现了 Prototype 接口，并且通过 clone 方法来复制自己的实例。
Client（客户端）：使用原型对象，并通过调用克隆方法来获取一个新对象，而不是通过构造方法来创建对象。

3. 原型模式的优点

原型模式的优点主要体现在以下几个方面：

性能提升：如果创建对象的过程比较繁琐且需要耗费大量时间，克隆现有对象通常比重新创建一个对象更快。因此，原型模式特别适用于需要大量对象创建的情况，尤其是在构建复杂对象时。
简化对象创建：使用原型模式可以避免使用 new 关键字显式地创建对象，而是通过克隆一个已有的对象来生成新对象，从而简化了对象的创建过程。
减少内存开销：对于一些复杂的对象，可以通过克隆方式避免重复创建，节省内存空间。比如，当需要创建一个与现有对象类似的多个对象时，原型模式可以避免反复初始化那些相同的属性。
易于扩展：通过增加新的原型类，可以非常方便地扩展对象创建的方式，而不需要修改现有的代码。

4. 原型模式的缺点

原型模式虽然有很多优点，但也有一些缺点和局限：

复杂性：对于某些对象，克隆过程可能会比较复杂。特别是如果对象包含复杂的状态（如对外部资源的引用），克隆对象可能需要更复杂的逻辑，甚至涉及深拷贝（deep copy）。
无法复制某些对象：一些不可复制的对象（例如线程、数据库连接、文件流等）可能无法通过克隆实现，这限制了原型模式的使用场景。
维护问题：在使用原型模式时，如果对象包含复杂的结构，可能会导致对象的一些属性没有完全复制，进而导致逻辑上的问题。特别是在多线程环境中，确保原型对象的一致性会变得更为困难。

5. 原型模式的分类

原型模式可以分为两种主要的克隆方式：

浅拷贝（Shallow Copy）：即仅复制对象的基本类型属性，对于引用类型的属性，只复制引用，而不复制对象本身。这样，源对象和目标对象会共享同一个引用类型的属性。
深拷贝（Deep Copy）：即不仅复制对象的基本类型属性，还会递归地复制引用类型的属性。这样，源对象和目标对象的引用类型属性是完全独立的。

6. 原型模式的应用场景

原型模式适用于以下几种场景：

对象创建开销较大：当创建一个对象非常耗费时间或资源时，使用原型模式可以通过克隆已有对象来避免重复的资源消耗。
对象的属性或状态可以变化，但结构相对固定：如果对象的属性结构较为固定，但又需要动态调整其中的一些属性，可以通过克隆原型来高效地创建新对象。
原型对象有多个副本：在某些场景中，可能需要多个对象具有相同的初始状态（如游戏中的多个相似角色），而通过克隆已有对象来创建副本更为高效。
需要避免重复的复杂对象初始化：当对象的初始化过程非常复杂（如大量的计算和数据加载），原型模式可以通过克隆已有对象来避免重复的计算，减少系统负担。

7. 原型模式的实现示例

以 Java 为例，下面展示一个简单的原型模式实现。

实现具体原型类（ConcretePrototype）

我们创建一个具体的原型类 Citation，让他实现Cloneable接口，并重写Object类的 clone 方法。

public class Citation implements Cloneable{
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    protected Citation clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Citation) super.clone();
    }

    public void show(){
        System.out.println(name+"同学获得了奖状");
    }
}

客户端代码（Client）

客户端代码通过 clone 方法创建新对象，而无需通过构造方法手动实例化对象。

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Citation citation = new Citation();
        citation.setName("张三");

        Citation citation1 = citation.clone();
        citation1.setName("李四");

        citation.show();
        citation1.show();

    }
}