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為什麼要學設計模式？設計模式有哪些優點？

提升檢視框架原始碼能力
提升對複雜業務的程式碼設計能力以及 code 能力
為今後的面試以及進階之路夯實基礎

今天我們要講的是設計模式中的原型模式（Prototype Pattern）。

原型模式提供了建立物件的最佳方式，主要解決物件複製的問題，適用於建立複雜物件圖、實現物件的快照和恢復等場景中。

01

原型模式的定義

原型模式透過克隆現有物件來建立新物件，避免了頻繁的物件例項化過程，屬於建立型模式。

簡單理解，就是定義一個原型物件作為建立其他物件的基礎，透過克隆原型物件，我們可以建立多個具有相同屬性和行為的新物件。

例如：

孫悟空有個十分牛逼的絕活兒，叫分身術，可以幻化出多個相同的孫悟空。

這個幻化出的新的分身，和設計模式中的原型模式是相似的。

重溫23種設計模式（11）：原型模式

02

原型模式的 UML 類圖

原型模式中的 3 個重要角色：

客戶端（Client）：使用具體原型類中的 clone() 方法，來複制新的物件。
抽象原型（Prototype）：可以是抽象類或介面，規定了具體原型物件必須實現的 clone() 方法。
具體原型類（ConcretePrototype）：實現抽象原型類的 clone() 方法，它是可被複制的物件。

Prototype 通常不用自己定義，因為複製這個操作十分常用。

在 Java 中，提供了Cloneable 介面來支援複製操作，它就是原型模式中的 Prototype 。

當然了，原型模式也未必非得去實現 Cloneable 介面，也有其他的實現方式。

03

原型模式的兩種實現

原型模式有兩種複製方式：淺複製、深複製。

1）淺複製

建立一個新物件，新物件的屬性和原來物件完全相同，對於非基本型別屬性，仍指向原有屬性所指向的物件的記憶體地址。

簡單理解，就是只複製所考慮的物件，而不復制它所引用的物件。

Object 類提供的方法 clone ，只是複製本物件，其物件內部的陣列、引用物件等都不複製。

2）深複製

建立一個新物件，屬性中引用的其他物件也會被克隆，不再指向原有物件地址。

簡單理解，就是複製一切，把要複製的物件所引用的物件都複製了一遍。

相比於淺複製，深複製速度慢並且開銷大，但是複製前後兩個物件互不影響。

04

原型模式的實現示例

原始碼示例：

將名片複製到自己的名片庫中。

我們先實現名片類。

具體的原型類：

public class BusinessCard implements Cloneable {    private String name;    private String company;    public BusinessCard(){        System.out.println("執行建構函式BusinessCard");    }    public void setName(String name) {        this.name = name;    }    public void setCompany(String company) {        this.company = company;    }    @Override    public BusinessCard clone() {        BusinessCard businessCard = null;        try {            businessCard = (BusinessCard) super.clone();        } catch (CloneNotSupportedException e) {            e.printStackTrace();        }        return businessCard;    }    public void show() {        System.out.println("name:" + name);        System.out.println("company:" + company);    }}

BusinessCard 類實現了 Cloneable 介面，它是一個標識介面，表示這個物件是可複製的。

只要重寫 clone 方法，就可以實現複製。如果實現了 Cloneable 介面、卻沒有重寫 clone 方法，就會報錯。

需要注意的是：

clone 方法不是在 Cloneable 介面中定義的（Cloneable 介面中沒有定義任何方法），而是在 Object 中定義的。

客戶端呼叫：

public class Client {    public static void main(String[] args) {        BusinessCard businessCard = new BusinessCard();        businessCard.setName("錢三");        businessCard.setCompany("阿里");        //複製名片        BusinessCard cloneCard1 = businessCard.clone();        cloneCard1.setName("趙四");        cloneCard1.setCompany("百度");
        BusinessCard cloneCard2 = businessCard.clone();        cloneCard2.setName("孫五");        cloneCard2.setCompany("騰訊");
        businessCard.show();        cloneCard1.show();        cloneCard2.show();    }}

除了第一個名片，其他兩個名片都是透過 clone 方法得到的。

但是，clone 方法並不會執行 cloneCard1 和 cloneCard2 的建構函式。

執行結果：

執行建構函式 BusinessCardname:錢三company:阿里name:趙四company:百度name:孫五company:騰訊

1）實現淺複製

上述的例子中，BusinessCard 的欄位都是 String 型別的，如果欄位是引用的型別的，會出現什麼情況呢？

public class DeepBusinessCard implements Cloneable {    private String name;    private Company company = new Company();
    public void setName(String name) {        this.name = name;    }
    public void setCompany(String name, String address) {        this.company.setName(name);        this.company.setAddress(address);    }
    @Override    public DeepBusinessCard clone() {        DeepBusinessCard businessCard = null;        try {            businessCard = (DeepBusinessCard) super.clone();        } catch (CloneNotSupportedException e) {            e.printStackTrace();        }        return businessCard;    }
    public void show() {        System.out.println("name:" + name);        System.out.println("company:" + company.getName() + "-address-" + company.getAddress());    }
}

我們定義了 DeepBusinessCard 類，它的欄位 company 是引用型別的。

Company 類：

public class Company {    private String name;    private String address;
    public String getAddress() {        return address;    }    public void setAddress(String address) {        this.address = address;    }    public String getName() {        return name;    }    public void setName(String name) {        this.name = name;    }

在客戶端使用 DeepBusinessCard ：

public class Client {    public static void main(String[] args) {       DeepBusinessCard businessCard=new DeepBusinessCard();        businessCard.setName("錢三");        businessCard.setCompany("阿里","北京望京");
        DeepBusinessCard cloneCard1=businessCard.clone();        cloneCard1.setName("趙四");        cloneCard1.setCompany("百度","北京西二旗");
        DeepBusinessCard cloneCard2=businessCard.clone();        cloneCard2.setName("孫五");        cloneCard2.setCompany("騰訊","北京中關村");
        businessCard.show();        cloneCard1.show();        cloneCard2.show();    }}

執行結果：

name:錢三company:騰訊-address-北京中關村name:趙四company:騰訊-address-北京中關村name:孫五company:騰訊-address-北京中關村

Object 類提供的 clone 方法，不會複製物件中的內部陣列和引用物件，導致它們仍舊指向原來物件的內部元素地址。

因此，company 欄位為最後設定的”騰訊”、”北京中關村”。

這種複製方式，我們就稱為淺複製。

company 欄位是引用型別，businessCard 被複製後，company 欄位仍舊指向原來的 businessCard 物件的 company 欄位的地址。

我們每次設定 company 欄位，都會覆蓋上一次設定的值，最終留下的就是最後一次設定的值：騰訊、北京中關村。

淺複製引用關係：

重溫23種設計模式（11）：原型模式

有多個物件可以修改 company ，顯然，這樣的引用關係是不符合需求的。

為了解決這個問題，我們引入了深複製模式。

修改引用關係為深複製：

重溫23種設計模式（11）：原型模式

複製 businessCard 物件的同時，也將它內部的引用物件 company 進行複製，使得每個複製的物件之間無任何關聯，都指向了自身對應的 company。

這種複製方式，我們就稱為深複製。

深複製模式把要複製的物件所引用的物件都複製了一遍。

2）實現深複製

首先需要修改 Company 類：

public class Company implements Cloneable{    private String name;    private String address;    ...    public Company clone(){        Company company=null;        try {            company= (Company) super.clone();        } catch (CloneNotSupportedException e) {            e.printStackTrace();        }        return company;    }}

為了實現 Company 類能被複製，Company 類也需要實現 Cloneable 介面、並且覆寫 clone 方法。

接著，修改 DeepBusinessCard 的 clone 方法：

public class DeepBusinessCard implements Cloneable {    private String name;    private Company company = new Company();    ...    @Override    public DeepBusinessCard clone() {        DeepBusinessCard businessCard = null;        try {            businessCard = (DeepBusinessCard) super.clone();            businessCard.company = this.company.clone();//1
        } catch (CloneNotSupportedException e) {            e.printStackTrace();        }        return businessCard;    }  ...}

註釋 1 增加了對 company 欄位的複製處理，最後在客戶端呼叫。

輸出結果：

name:錢三company:阿里-address-北京望京name:趙四company:百度-address-北京西二旗name:孫五company:騰訊-address-北京中關村

可見，採用深複製模式修改一個物件的引用型別的成員時，不會再影響另外物件的該成員。

05

原型模式的優缺點

優點：

克隆物件時，對客戶端隱藏實現細節，避免了程式碼耦合。
逃避建構函式的約束。
可以動態增加或減少產品類。
原型模式提供了簡化的建立結構。

缺點：

必須實現 Cloneable 介面；
clone 方法位於類的內部，當對已有類進行改造的時候，需要修改程式碼，違背了開閉原則。
在實現深複製時，需要編寫較為複雜的程式碼。

06

原型模式的使用場景

不管是複雜還是簡單的物件，只要存在物件複製的場景，都適合使用原型模式。

類的初始化需要耗費較多的資源時。
透過 new 產生一個物件、需要非常繁瑣的資料準備或訪問許可權時。
一個物件需要提供給其他物件訪問，而且各個呼叫者可能都需要修改其值時。

07

原型模式與工廠方法模式的區別

工廠方法模式是一種建立型設計模式，它提供了一種在不指定具體類的情況下建立物件的方法。

關於工廠方法模式，看這篇：【重溫23種設計模式】之工廠方法模式

原型模式與工廠方法模式的主要區別是：物件建立的方式。

原型模式透過複製現有的物件來建立新物件，適用於以下場景：

需要建立大量具有相似屬性的物件。
物件的建立成本很高，例如需要執行復雜的初始化邏輯。
需要在執行時動態地建立和修改物件。

工廠方法模式透過呼叫工廠方法來建立新物件，適用於以下場景：

需要建立具有不同型別或不同實現的物件。
物件建立邏輯較為複雜，不適合在客戶端程式碼中直接例項化。
需要將物件建立過程與客戶端程式碼解耦。

08

原型模式與單例模式的區別

單例模式是一種建立型設計模式，它確保一個類只有一個例項，並提供一個全域性訪問點。

關於單例模式，看這篇：8大單例模式實現方式總結

原型模式與單例模式的主要區別在於它們的目的。

原型模式用於透過複製現有物件來建立新物件，適用於以下場景：

需要建立大量具有相似屬性的物件。
物件的建立成本很高，例如需要執行復雜的初始化邏輯。
需要在執行時動態地建立和修改物件。

單例模式用於確保一個類只有一個例項，適用於以下場景：

需要確保一個類只有一個例項。
需要全域性訪問點以方便地訪問該例項。
需要全域性共享資源或配置資訊。

總結

透過本文，我們瞭解並掌握了原型模式的概念、原理、應用場景、優缺點、實現方式等。

原型模式是一種強大而靈活的設計模式，它可以簡化物件的建立過程、提高效能，具備更好的可維護性。

在實現原型模式時，需要根據具體需求選擇使用深複製或淺複製。原型模式適用於在處理物件建立、動態修改物件結構、高效能快取等場景中。

以上，就是關於原型模式的全部介紹。

重溫23種設計模式（11）：原型模式

具體的原型類：

客戶端呼叫：

1）實現淺複製

上述的例子中，BusinessCard 的欄位都是 String 型別的，如果欄位是引用的型別的，會出現什麼情況呢？

2）實現深複製

首先需要修改 Company 類：

不管是複雜還是簡單的物件，只要存在物件複製的場景，都適合使用原型模式。

單例模式是一種建立型設計模式，它確保一個類只有一個例項，並提供一個全域性訪問點。

關於單例模式，看這篇：8大單例模式實現方式總結

原型模式與單例模式的主要區別在於它們的目的。

原型模式用於透過複製現有物件來建立新物件，適用於以下場景：

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