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设计模式之原型模式

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1 原型模式概念



1.1 介绍

原型模式是一个创建型的模式。原型二字表明了改模式应该有一个样板实例，用户从这个样板对象中复制一个内部属性一致的对象，这个过程也就是我们称的“克隆”。被复制的实例就是我们所称的“原型”，这个原型是可定制的。原型模式多用于创建复杂的或者构造耗时的实例，因为这种情况下，复制一个已经存在的实例可使程序运行更高效。



1.2 定义

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。



1.3 使用场景

（1）类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等，通过原型拷贝避免这些消耗。

（2）通过new产生的一个对象需要非常繁琐的数据准备或者权限，这时可以使用原型模式。

（3）一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用，即保护性拷贝。



2 原型模式UML类图（通用）

这里写图片描述

原型模式主要用于对象的复制，它的核心是就是类图中的原型类Prototype。Prototype类需要具备以下两个条件：

（1）实现Cloneable接口。在java语言有一个Cloneable接口，它的作用只有一个，就是在运行时通知虚拟机可以安全地在实现了此接口的类上使用clone方法。在java虚拟机中，只有实现了这个接口的类才可以被拷贝，否则在运行时会抛出CloneNotSupportedException异常。

（2）重写Object类中的clone方法。Java中，所有类的父类都是Object类，Object类中有一个clone方法，作用是返回对象的一个拷贝，但是其作用域protected类型的，一般的类无法调用，因此Prototype类需要将clone方法的作用域修改为public类型。



2 简单实现示范



2.1 原型

/*
 * 书本类型，扮演的是ConcretePrototype角色，而Cloneable扮演Prototype角色
 */
public class Book implements Cloneable {

    private String title;// 标题
    private ArrayList<String> image = new ArrayList<String>();// 图片名列表

    public Book() {
        super();
    }

    /**
     * 重写拷贝方法
     */
    @Override
    protected Book clone()  {
        try {
            Book book = (Book) super.clone();
            return book;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public ArrayList<String> getImage() {
        return image;
    }

    public void addImage(String img) {
        this.image.add(img);
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    /**
     * 打印内容
     */
    public void showBook() {
        System.out.println("----------------------Start----------------------");

        System.out.println("title：" + title);
        for (String img : image) {
            System.out.println("image name:" + img);
        }

        System.out.println("----------------------End----------------------");
    }
}
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2.2 Client端1

（1）代码 


public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        // 1.构建书本对象
        Book book1 = new Book();        
        // 2.编辑书本，添加图片
        book1.setTitle("书1");
        book1.addImage("图1");
        book1.showBook();

        // 以原型文档为原型，拷贝一份副本
        Book book2 = (Book) book1.clone();
        book2.showBook();
        // 修改图书副本，不会影响原始书本
        book2.setTitle("书2");
        book2.showBook();

        // 再次打印原始书本
        book1.showBook();
    }
}
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（2）结果： 

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title：书1
image name:图1
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title：书1
image name:图1
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title：书2
image name:图1
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image name:图1
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（3）解释：

book2是book的一份拷贝，它和book1的内容是一样的。而book2修改了“标题”-字符串（基本的数据类型），并不影响book1的标题，这就保证了book1的安全性。



2.3 浅拷贝应用

（1）代码： 

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        // 1.构建书本对象
        Book book1 = new Book();        
        // 2.编辑书本，添加图片
        book1.setTitle("书1");
        book1.addImage("图1");
        book1.showBook();

        // 以原型文档为原型，拷贝一份副本
        Book book2 = (Book) book1.clone();
        book2.showBook();
        // 修改图书副本，不会影响原始书本
        book2.setTitle("书2");
        book2.addImage("图2");
        book2.showBook();

        // 再次打印原始书本
        book1.showBook();
    }
}
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（2）结果： 

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title：书1
image name:图1
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title：书1
image name:图1
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title：书2
image name:图1
image name:图2
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title：书1
image name:图1
image name:图2
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（3）解释：

细心观察发现，最后两个书本内容输出是一致的。引用类型的新对象book2的image只是单纯指向了this.image引用，并没有重新构造一个image对象，然后将原始书本的图片添加到新的image对象中，这样导致book2中的image与原始书本中的是同一个对象。因此，修改其中一个书本的图片，另一个书本也会受到影响。

如何解决？因为Object类的clone方法只会拷贝对象中的基本的数据类型，对于数组、集合、容器对象、引用对象等都不会拷贝；所以采用深拷贝。



2.3 深拷贝应用

（1）代码： 

/**
     * 重写拷贝方法
     */
    @Override
    protected Book clone()  {
        try {
            Book book = (Book) super.clone();
            // 对image对象也调用clone()函数，进行拷贝
            book.image = (ArrayList<String>) this.image.clone();
            return book;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
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（2）结果： 

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title：书1
image name:图1
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title：书1
image name:图1
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title：书2
image name:图1
image name:图2
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title：书1
image name:图1
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（3）解释：

将book.image指向this.image的一份拷贝，而不是this.image本身，实现了完全的拷贝，这样再互不影响。



3 Android源码中的原型模式



3.1 Intent

Uri uri = Uri.parse("smsto:110");
        Intent intent = new Intent(Intent.ACTION_SEND,uri);
        intent.putExtra("sms_body", "The SMS text");
        //克隆
        Intent intent2 = (Intent)intent.clone();
        startActivity(intent2);
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4 总结



4.1 优点

（1）原型模式是在内存中二进制流的拷贝，要比直接new一个对象性能好很多，特别是要在一个循环体内产生大量对象时，原型模式可能更好的体现其优点。

（2）还有一个重要的用途就是保护性拷贝，也就是对某个对象对外可能是只读的，为了防止外部对这个只读对象的修改，通常可以通过返回一个对象拷贝的形式实现只读的限制。



4.2 缺点

（1）这既是它的优点也是缺点，直接在内存中拷贝，构造函数是不会执行的，在实际开发中应该注意这个潜在问题。优点是减少了约束，缺点也是减少了约束，需要大家在实际应用时考虑。

（2）通过实现Cloneable接口的原型模式在调用clone函数构造实例时并不一定比通过new操作速度快，只有当通过new构造对象较为耗时或者说成本较高时，通过clone方法才能够获得效率上的提升。



5 注意事项



5.1 构造函数不会被执行

一个实现了Cloneable并重写了clone方法的类A，有一个无参构造或有参构造B，通过new关键字产生了一个对象S，再然后通过S.clone()方式产生了一个新的对象T，那么在对象拷贝时构造函数B是不会被执行的。我们来写一小段程序来说明这个问题。 

public class Thing implements Cloneable {

    public Thing(){ 
        System.out.println("构造函数被执行了...");
    }

    @Override
    public Thing clone(){ 
        Thing thing=null; 
        try {
            thing = (Thing)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) { 
            e.printStackTrace();
        }
        return thing;
    }
}
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然后我们再来写一个Client类，进行对象的拷贝: 

public class Client {

    public static void main(String[] args) { 
        Thing thing = new Thing(); //产生一个对象
        Thing cloneThing = thing.clone(); //拷贝一个对象
    }
}
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运行结果如下所示： 

构造函数被执行了...
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对象拷贝时构造函数确实没有被执行，这点从原理来讲也是可以讲得通的，Object类的clone方法的原理是从内存中（具体地说就是堆内存）以二进制流的方式进行拷贝，重新分配一个内存块，那构造函数没有被执行是对的。



5.2 浅拷贝和深拷贝

在开发中，为减少错误，建议在使用原型模式时尽量使用深拷贝，避免操作副本时影响原始对象的问题。如果是在涉及类的继承时，父类有多个引用的情况就非常复杂，建议的方案是深拷贝和浅拷贝分开实现。



5.3 clone与final两个冤家

要使用clone方法，类的成员变量上不要增加final关键字。因为final类型是不允许重赋值的。



6 原型模式实战

以下代码是用户在登录之后通过LoginSession的setLoginedUser函数将登录用的信息设置在Session中，setLoginedUser是私有的，外部模块无法调用。

（1）Address.java 

/**
 * @author Guan
 * 用户地址类
 */
public class Address {
    public String city;
    public String district;
    public String street;

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

    @Override
    public String toString() {
        return "Address{" +
                "city='" + city + '\'' +
                ", district='" + district + '\'' +
                ", street='" + street + '\'' +
                '}';
    }
}
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（2）User.java 

/**
 * @author Guan
 * 用户实体类
 */
public class User {
    public int age;
    public String name;
    public String phoneNum;
    public Address address;

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", phoneNum='" + phoneNum + '\'' +
                ", address=" + address +
                '}';
    }
}
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（3）LoginSession.java 

/**
 * @author Guan
 * 登录Session
 */
public class LoginSession {
    static LoginSession loginSession = null;
    private User loginedUser;// 已登录用户

    public LoginSession() {
    }

    public static LoginSession getLoginSession() {
        if (loginSession == null) {
            loginSession = new LoginSession();
        }
        return loginSession;
    }

    public User getLoginedUser() {
//        return loginedUser.clone();// 返回已登录用户的一个拷贝
        return loginedUser;// 返回原始已登录用户
    }

    // 只通过私有方法修改用户信息
    void setLoginedUser(User loginedUser) {
        this.loginedUser = loginedUser;
    }
}
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（4）Login.java 

/**
 * @author Guan
 * 登录接口
 */
public interface Login {
    void login();
}
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（5）LoginImpl.java 

/**
 * @author Guan
 * 登录实现类
 */
public class LoginImpl implements Login{

    public void login() {
        // 登录到服务器，获取到用户信息
        User loginedUser = new User();

        // 将服务器返回的完整信息设置给loginedUser对象
        loginedUser.age = 22;
        loginedUser.name = "xiaoguan";
        loginedUser.address = new Address("深圳市","宝安区","一路");

        // 登录完后将用户信息设置到Session中LoginSession.getLoginSession()中
        LoginSession.getLoginSession().setLoginedUser(loginedUser);
    }
}
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（6）Client.java 


public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        // 已登录用户
        LoginImpl loginImpl = new LoginImpl();
        loginImpl.login();
        User tempUser = LoginSession.getLoginSession().getLoginedUser();

        User user = LoginSession.getLoginSession().getLoginedUser();// 获得已登录的User对象
        user.address = new Address("新深圳市","新宝安区","新一路");
        // 只能通过私有方法setLoginedUser更新用户信息
        LoginSession.getLoginSession().setLoginedUser(user);

        System.out.println("tempUser：" + tempUser);
        System.out.println("已登录用户：" + LoginSession.getLoginSession().getLoginedUser());
    }
}
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（7）结果&分析

在用户点击更新按钮时候，直接调用以上代码更新用户地址，在网络请求成功还是未成功情况下用户信息都被修改了，结果打印如下：

这里写图片描述

（8）优化

所以需要使用原型模式来进行保护性拷贝，使得在任何地方调用getLoginedUser函数获取到的用户对象都是一个拷贝对象，即使客户端不小心修改了这个拷贝对象，也不会影响最初的已登录用户对象，确保了它的安全。修改代码如下： 

/**
 * @author Guan
 * 用户实体类
 */
public class User implements Cloneable{


    /**
     * 拷贝
     */
    public User clone() {
        User user = null;
        try {
            user = (User) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return user;
    }


}
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/**
 * @author Guan
 * 登录Session
 */
public class LoginSession {

    public User getLoginedUser() {
        return loginedUser.clone();// 返回已登录用户的一个拷贝
//      return loginedUser;// 返回原始已登录用户
    }

}
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