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创建型模式4.原型模式

article 2025/1/9 0:59:21

创建型模式

工厂方法模式（Factory Method Pattern）
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
建造者模式（Builder Pattern）
原型模式（Prototype Pattern）
单例模式（Singleton Pattern）

原型模式（Prototype Pattern） 是一种创建型设计模式，其核心思想是通过复制已有的实例来创建新的对象，而不是通过新建对象的方式。这种模式特别适合于需要大量创建相似对象的场景，能够提高系统性能和效率。

原型模式的定义：

原型模式允许一个对象通过复制现有对象来创建新的对象，而无需知道如何具体实现这个对象的类。这种模式通过克隆原有对象来产生新对象，避免了直接使用 new 关键字的开销。

关键概念：

Prototype（原型）：原型接口或者抽象类，它定义了克隆方法，通常有一个 clone() 方法，用于复制当前对象。
ConcretePrototype（具体原型）：实现 Prototype 接口的具体类，通常会提供克隆自己的方法。
Client（客户端）：通过克隆现有对象来创建新对象的角色，客户端不需要知道如何创建对象，它只需要调用原型对象的 clone() 方法即可。

适用场景：

当对象创建的成本较高时，可以使用原型模式通过复制已有对象来降低成本。
当系统中有很多相似的对象，且这些对象在构建时仅有细微的不同，可以使用原型模式来简化创建过程。
当对象的创建过程中需要对一些属性做个性化调整，但大体结构是相似的时，可以使用原型模式。

优缺点分析：

优点：

性能优越：通过克隆已有对象创建新对象，相比传统的构造函数创建对象，性能更好，尤其是当构建对象的过程非常复杂时。
避免重复创建：如果对象创建过程复杂或开销较大，可以避免重复创建，从而提高效率。
灵活性高：客户端不需要知道如何创建对象的具体细节，只需关心对象的克隆。

缺点：

复杂性：如果对象包含复杂的成员，且某些成员不适合被浅拷贝（如包含引用类型的成员变量），可能需要额外的工作来确保深拷贝的正确实现。
内存消耗：如果使用浅拷贝，可能会出现共享资源的问题，影响对象的独立性。
维护性差：当类层次结构复杂或原型对象很难管理时，可能会增加系统的复杂度。

代码示例：

1. 使用原型模式：

// Prototype接口，定义克隆方法
public interface Prototype {
    Prototype clone();
}

// 具体的原型类
public class ConcretePrototype implements Prototype {
    private String name;
    private int age;

    public ConcretePrototype(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    // 通过构造方法初始化属性

    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;
    }

    // 实现clone方法来复制对象
    @Override
    public Prototype clone() {
        return new ConcretePrototype(this.name, this.age);
    }

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

2. 客户端使用原型：

public class PrototypeTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型对象
        ConcretePrototype prototype1 = new ConcretePrototype("Alice", 30);

        // 通过克隆方法复制原型对象
        ConcretePrototype prototype2 = (ConcretePrototype) prototype1.clone();

        // 修改 prototype2 的属性
        prototype2.setName("Bob");
        prototype2.setAge(25);

        // 输出对象
        System.out.println("Original Object: " + prototype1);
        System.out.println("Cloned Object: " + prototype2);
    }
}

3. 输出：

Original Object: ConcretePrototype{name='Alice', age=30}
Cloned Object: ConcretePrototype{name='Bob', age=25}

在上面的示例中，ConcretePrototype 实现了 Prototype 接口，并重写了 clone() 方法来复制自己。客户端通过调用 clone() 方法，可以轻松地复制对象，而无需了解对象的构建过程。

深拷贝与浅拷贝

在实际应用中，浅拷贝（shallow copy）和 深拷贝（deep copy）是原型模式中的两个关键概念：

浅拷贝：拷贝对象时，原始对象的字段值（基本类型数据）会被复制，而引用类型的字段（如对象）则会被复制引用，即两个对象共享相同的引用类型字段。

public class ShallowCopyExample implements Cloneable {
    private int value;
    private List<String> list;

    public ShallowCopyExample(int value, List<String> list) {
        this.value = value;
        this.list = list;
    }

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

    @Override
    public String toString() {
        return "ShallowCopyExample{" +
                "value=" + value +
                ", list=" + list +
                '}';
    }
}

深拷贝：在进行拷贝时，不仅复制原始对象本身，还会复制其引用类型的所有成员，从而创建完全独立的对象。深拷贝需要通过手动复制每个引用对象来实现。

public class DeepCopyExample implements Cloneable {
    private int value;
    private List<String> list;

    public DeepCopyExample(int value, List<String> list) {
        this.value = value;
        this.list = new ArrayList<>(list);  // 手动复制引用类型成员
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        DeepCopyExample cloned = (DeepCopyExample) super.clone();
        cloned.list = new ArrayList<>(this.list);  // 深拷贝引用类型成员
        return cloned;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "DeepCopyExample{" +
                "value=" + value +
                ", list=" + list +
                '}';
    }
}