设计模式之原型模式详解(定义、优缺点、应用场景、实例类图）

原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式之一。这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。与直接实例化类创建新对象不同，原型模式通过拷贝现有对象生成新对象。浅拷贝通过实现 Cloneable 实现，深拷贝通过实现 Serializable 读取二进制流实现。

一、原型模式的概要

意图：

使用原型实例指定要创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象。

主要解决：

在运行时动态建立和删除原型。

何时使用：

1. 系统应独立于产品的创建、构成和表示。

2. 需要在运行时指定实例化的类，例如通过动态加载。

3. 避免创建与产品类层次平行的工厂类层次。

4. 类的实例只能有几种不同状态组合，克隆原型比手工实例化更方便。

如何解决：

通过已有的一个原型对象，快速生成与原型对象相同的实例。

关键代码

1. 实现克隆操作：

在 Java 中，实现 Cloneable 接口，重写 clone() 方法。

在 .NET 中，使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法实现浅拷贝，或通过序列化实现深拷贝。

1. 隔离类对象的使用者和具体类型之间的耦合关系，要求"易变类"拥有稳定的接口。

结构

原型模式包含以下几个主要角色：

1. 原型接口（Prototype Interface）：定义一个用于克隆自身的接口，通常包括一个 clone() 方法。

2. 具体原型类（Concrete Prototype）：实现原型接口的具体类，负责实际的克隆操作。这个类需要实现 clone() 方法，通常使用浅拷贝或深拷贝来复制自身。

3. 客户端（Client）：使用原型实例来创建新的对象。客户端调用原型对象的 clone() 方法来创建新的对象，而不是直接使用构造函数。

应用实例

1. 细胞分裂

2. Java 中的 Object.clone() 方法

二、原型模式的使用场景

1. 资源优化

2. 类初始化需要消耗大量资源（如数据、硬件资源）

3. 性能和安全要求高的场景

4. 通过 new 创建对象需要复杂的数据准备或访问权限时

5. 一个对象需要多个修改者

6. 对象需提供给其他对象访问并可能被各个调用者修改时

7. 通常与工厂方法模式一起使用，通过 clone 创建对象，然后由工厂方法提供给调用者

三、原型模式的优缺点

优点

1. 性能提高

2. 避免构造函数的约束

缺点

1. 配备克隆方法需要全面考虑类的功能，对已有类可能较难实现，特别是处理不支持串行化的间接对象或含有循环结构的引用时。

2. 必须实现 Cloneable 接口。

四、原型模式的实现

我们将创建一个抽象类 Shape 和扩展了 Shape 类的实体类。下一步是定义类 ShapeCache，该类把 shape 对象存储在一个 Hashtable 中，并在请求的时候返回它们的克隆。

PrototypePatternDemo 类使用 ShapeCache 类来获取 Shape 对象。

1. 步骤 1：创建一个实现了 Cloneable 接口的抽象类。

Shape.java

public abstract class Shape implements Cloneable {
   
   private String id;
   protected String type;
   
   abstract void draw();
   
   public String getType(){
      return type;
   }
   
   public String getId() {
      return id;
   }
   
   public void setId(String id) {
      this.id = id;
   }
   
   public Object clone() {
      Object clone = null;
      try {
         clone = super.clone();
      } catch (CloneNotSupportedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return clone;
   }
}

1. 步骤 2：创建扩展了上面抽象类的实体类。

Rectangle.java

public class Rectangle extends Shape {
 
   public Rectangle(){
     type = "Rectangle";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

Square.java

public class Square extends Shape {
 
   public Square(){
     type = "Square";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

Circle.java

public class Circle extends Shape {
 
   public Circle(){
     type = "Circle";
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

1. 步骤 3：创建一个类，从数据库获取实体类，并把它们存储在一个 Hashtable 中。

ShapeCache.java

import java.util.Hashtable;
 
public class ShapeCache {
    
   private static Hashtable<String, Shape> shapeMap 
      = new Hashtable<String, Shape>();
 
   public static Shape getShape(String shapeId) {
      Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
      return (Shape) cachedShape.clone();
   }
 
   // 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状
   // shapeMap.put(shapeKey, shape);
   // 例如，我们要添加三种形状
   public static void loadCache() {
      Circle circle = new Circle();
      circle.setId("1");
      shapeMap.put(circle.getId(),circle);
 
      Square square = new Square();
      square.setId("2");
      shapeMap.put(square.getId(),square);
 
      Rectangle rectangle = new Rectangle();
      rectangle.setId("3");
      shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle);
   }
}

1. 步骤 4：PrototypePatternDemo 使用 ShapeCache 类来获取存储在 Hashtable 中的形状的克隆。

PrototypePatternDemo.java

public class PrototypePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeCache.loadCache();
 
      Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());        
 
      Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());        
 
      Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());        
   }
}

1. 步骤 5：执行程序，输出结果：

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle

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