设计模式之原型模式

1.克隆羊问题

现在有一只羊 tom，姓名为: tom, 年龄为：1，颜色为：白色，请编写程序创建和 tom 羊 属性完全相同的 10只羊。

1.1 思路分析：

1.2 传统应用

Sheep.java

public class Sheep {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
  
    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
}  

Client.java

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        //传统的方法
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
        
        Sheep sheep2 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep3 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep4 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        Sheep sheep5 = new Sheep(sheep.getName(), sheep.getAge(), sheep.getColor());
        //....
        
        System.out.println(sheep);
        System.out.println(sheep2);
        System.out.println(sheep3);
        System.out.println(sheep4);
        System.out.println(sheep5);
        //...
    }
}

1.3 传统方式优缺点：

1)优点是比较好理解，简单易操作。
2)在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低
3)总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活
4)改进的思路分析
    思路：Java 中 Object 类是所有类的根类，Object 类提供了一个 clone()方法，该方法可以将一个 Java 对象复制一份，但是需要实现 clone 的 Java 类必须要实现一个接口 Cloneable，该接口表示该类能够复制且具有复制的能力  =>  原型模式

2.原型模式

2.1 基本介绍：

1)原型模式(Prototype 模式)是指：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型，创建新的对象
2)原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节
3)工作原理是:通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即 对象.clone()
4)形象的理解：孙大圣拔出猴毛， 变出其它孙大圣

2.2 uml类图：

原理结构图说明：
1)Prototype : 原型类，声明一个克隆自己的接口
2)ConcretePrototype: 具体的原型类, 实现一个克隆自己的操作
3)Client: 让一个原型对象克隆自己，从而创建一个新的对象(属性一样）

2.3 应用（浅拷贝）

Sheep.java

//实现Cloneable接口
public class Sheep implements Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private String address = "蒙古羊";
    public Sheep friend; //是对象, 克隆是会如何处理
    public Sheep(String name, int age, String color) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
    
    //克隆该实例，使用默认的clone方法来完成
    @Override
    protected Object clone()  {     
        Sheep sheep = null;
        try {
            sheep = (Sheep)super.clone();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
        return sheep;
    }
}

Client.java

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("原型模式完成对象的创建");
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");
    
        sheep.friend = new Sheep("jack", 2, "黑色");
        
        Sheep sheep2 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
        Sheep sheep3 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
        Sheep sheep4 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
        Sheep sheep5 = (Sheep)sheep.clone(); //克隆
        
        //输出的hashcode码都是一样的（浅拷贝）
        System.out.println("sheep2 =" + sheep2 + "sheep2.friend=" + sheep2.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep3 =" + sheep3 + "sheep3.friend=" + sheep3.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep4 =" + sheep4 + "sheep4.friend=" + sheep4.friend.hashCode());
        System.out.println("sheep5 =" + sheep5 + "sheep5.friend=" + sheep5.friend.hashCode());
    }
}

3.浅拷贝与深拷贝

3.1 浅拷贝介绍

1)对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。
2)对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址）复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值
3)前面我们克隆羊就是浅拷贝
4)浅拷贝是使用默认的 clone()方法来实现
    sheep = (Sheep) super.clone();

3.2 深拷贝介绍

1)复制对象的所有基本数据类型的成员变量值
2)为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝
3)深拷贝实现方式 1：重写 clone 方法来实现深拷贝
4)深拷贝实现方式 2：通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

3.3 应用

DeepCloneableTarget.java

public class DeepCloneableTarget implements Serializable, Cloneable {
    
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String cloneName;
    private String cloneClass;

    //构造器
    public DeepCloneableTarget(String cloneName, String cloneClass) {
        this.cloneName = cloneName;
        this.cloneClass = cloneClass;
    }

    //因为该类的属性，都是String , 因此我们这里使用默认的clone完成即可
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

DeepProtoType.java

public class DeepProtoType implements Serializable, Cloneable{
    
    public String name; //String 属性
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;// 引用类型
    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    //深拷贝 - 方式 1 使用clone 方法
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        
        Object deep = null;
        //这里完成对基本数据类型(属性)和String的克隆
        deep = super.clone(); 
        //对引用类型的属性，进行单独处理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget  = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();
        
        return deepProtoType;
    }
    
    //深拷贝 - 方式2 通过对象的序列化实现 (推荐) 
    public Object deepClone() {     
        //创建流对象
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;
        
        try {       
            //序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this); //当前这个对象以对象流的方式输出
            
            //反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepProtoType copyObj = (DeepProtoType)ois.readObject();
            
            return copyObj;         
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            //关闭流
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
        
    }
    
}

Client.java

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DeepProtoType p = new DeepProtoType();
        p.name = "宋江";
        p.deepCloneableTarget = new DeepCloneableTarget("大牛", "小牛");
        
        //方式1 完成深拷贝：hashcode码是不同的
//      DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.clone();
//      System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
//      System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
    
        //方式2 完成深拷贝：hashcode码是不同的
        DeepProtoType p2 = (DeepProtoType) p.deepClone();       
        System.out.println("p.name=" + p.name + "p.deepCloneableTarget=" + p.deepCloneableTarget.hashCode());
        System.out.println("p2.name=" + p.name + "p2.deepCloneableTarget=" + p2.deepCloneableTarget.hashCode());
    
    }

}

4.在Spring框架中的源码分析

Spring 中原型 bean 的创建，就是原型模式的应用

代码分析+debug源码：

Monster.java

public class Monster {
    private Integer id = 10 ;
    private String nickname = "牛魔王";
    private String skill = "芭蕉扇";
    public Monster() {  
        System.out.println("monster 创建..");
    }
}

beans.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"
    xmlns:util="http://www.springframework.org/schema/util"
    xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
    xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd
        http://www.springframework.org/schema/util http://www.springframework.org/schema/util/spring-util-4.0.xsd
        http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context-4.0.xsd">

 <!-- 这里我们的 scope="prototype" 即 原型模式来创建 -->
 <bean id="id01" class="com.cykj.spring.bean.Monster" scope="prototype"/>
 
</beans>

ProtoType.java

public class ProtoType {

    public static void main(String[] args) {
        ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
        // 获取monster[通过id获取monster]
        //在下一行代码打断点进行debug，查看上下文中getBean()方法下的源码
        Object bean = applicationContext.getBean("id01");
        System.out.println("bean" + bean); // 输出 "牛魔王" .....
        Object bean2 = applicationContext.getBean("id01");
        System.out.println("bean2" + bean2); //输出 "牛魔王" .....

        System.out.println(bean == bean2); // false
        
        // ConfigurableApplicationContext
    }

}

debug下的Spring源码：

AbstractApplicationContext.java

    @Override   //970行
    public Object getBean(String name) throws BeansException {
        assertBeanFactoryActive();
      //通过AbstractBeanFactory类中的getBean(name)方法
        return getBeanFactory().getBean(name);
    }    

AbstractBeanFactory.java

    @Override   //193行
    public Object getBean(String name) throws BeansException {
        return doGetBean(name, null, null, false);
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")  //232行
    protected <T> T doGetBean(final String name, final Class<T> requiredType, final Object[] args, boolean typeCheckOnly)throws BeansException {
        final String beanName = transformedBeanName(name);
        Object bean;
      
      final RootBeanDefinition mbd = getMergedLocalBeanDefinition(beanName);
        // Create bean instance.
      if (mbd.isSingleton()) {      //299行
        sharedInstance = getSingleton(beanName, new ObjectFactory<Object>() {
          @Override
          public Object getObject() throws BeansException {
            try {
              return createBean(beanName, mbd, args);
            }
            catch (BeansException ex) {
              destroySingleton(beanName);
              throw ex;
            }
          }
        });
        bean = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, mbd);
      }
      else if (mbd.isPrototype()) {     //318行
        // It's a prototype -> create a new instance.
        Object prototypeInstance = null;
        try {
          beforePrototypeCreation(beanName);
          prototypeInstance = createBean(beanName, mbd, args);
        }
        finally {
          afterPrototypeCreation(beanName);
        }
        bean = getObjectForBeanInstance(prototypeInstance, name, beanName, mbd);
      }
    }

5.注意事项和细节

1)创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率
2)不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
3)如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码
4)在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码
5)缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了 ocp 原则

来源：https://www.cnblogs.com/itzlg/p/11371027.html