原型模式
原型模式的原理与应用
如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段相同），在这种情况下，可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式（Prototype Design Pattern），简称原型模式。
那何为“对象的创建成本比较大”？
实际上，创建对象包含的申请内存、给成员变量赋值这一过程，本身并不会花费太多时间，或者说对于大部分业务系统来说，这点时间完全是可以忽略的。应用一个复杂的模式，只得到一点点的性能提升，这就是所谓的过度设计，得不偿失。
但是，如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从RPC、网络、数据库、文件系统等非常慢速的IO中读取，这种情况下，就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作。
假设数据库中存储了大约10万条“搜索关键词”信息，每条信息包含关键词、关键词被搜素的次数、信息最近被更新的时间等。系统A在启动的时候会加载这份数据到内存中，用于处理某些其他的业务需求。为了方便快速地查找某个关键词对应的信息，我们给关键词简历一个散列表索引。字典的key为搜索关键词，value为关键词详细信息（比如搜索次数）。只需要将数据从数据库中读取出来，放入字典就可以了。
另外一个系统B，专门用来分析搜索日志，定期（比如间隔10分钟）批量地更新数据库中的数据，并且标记为新的数据版本。比如，在下面的示例图中，对V2版本的数据进行更新，得到V3版本的数据。这里假设只有更新和新添加关键词，没有删除关键词的行为。
prototype01.png
为了保证系统A中数据的实时性（不一定非常实时，但数据也不能太旧），系统A需要定期根据数据库中的数据，更新内存中的索引和数据。
该如何实现这个需求呢？
只需要在系统A中，记录当前数据的版本Va对应的更新时间Ta，从数据库中捞出更新时间大于Ta的所有关键词，也就是Va版本与最新版本数据的“差集”，然后针对差集中的每个关键词进行处理。如果它已经在散列表中存在了，就更新相应的搜素次数、更新时间等信息；如果它在散列表中不存在，就将它插入到散列表中。代码如下：
// 遵守 NSCopying 协议
@interface DMSearchWord : NSObject <NSCopying>
@property (nonatomic, strong) NSString *keyWord;
@property (nonatomic, assign) NSInteger count;
@property (nonatomic, assign) NSInteger lastUpdateTime;
@end
- (void)version1
{
// 当前数据库的版本VA和更新时间
NSMutableDictionary *currentKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
NSInteger lastUpdateTime = 0;
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
NSArray<DMSearchWord *> *searchWords = [self getSearchWords:lastUpdateTime];
for (DMSearchWord *searchWord in searchWords) {
if (searchWord.lastUpdateTime > lastUpdateTime) {
lastUpdateTime = searchWord.lastUpdateTime;
}
[currentKeywords setObject:searchWord forKey:searchWord.keyWord];
}
}
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
- (NSArray<DMSearchWord *> *)getSearchWords:(NSInteger)lastUpdateTime
{
NSArray<DMSearchWord *> *array = [[NSArray<DMSearchWord *> alloc] init];
return array;
}
不过，现在有一个特殊的要求：任何时可，系统A中的所有数据都必须是同一个版本的，要么都是版本a，要么都是版本b，不能有的是版本a，有的是版本b。那刚刚的更新方式就不能满足这个要求了。除此之外，还要求：在更新内存数据的时候，系统A不能处于不可用状态，也就是不能停机更新数据。
该如何实现现在这个需求呢？
把正在使用的数据的版本定义为“服务版本”，当要更新内存中的数据的时候，并不是直接在服务版本（假设是版本a数据）上更新，而是重新创建另一个版本数据（假设是版本b数据），等新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本a切换到版本b。这样既保证了数据一直可用，又避免了中间状态的存在。代码实现如下：
- (void)version2
{
// 当前数据库的版本VA
NSMutableDictionary *currentKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
// 从数据库中取出所有的数据， 这个过程比较耗时
NSArray<DMSearchWord *> *searchWords = [self getAllSearchWords];
NSMutableDictionary *newKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
for (DMSearchWord *searchWord in searchWords) {
[newKeywords setObject:searchWord forKey:searchWord.keyWord];
}
// 新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本 a 切换到版本 b
currentKeywords = newKeywords;
}
- (NSArray<DMSearchWord *> *)getAllSearchWords
{
// 从数据库中取出所有的数据
NSArray<DMSearchWord *> *array = [[NSArray<DMSearchWord *> alloc] init];
return array;
}
不过，在上面的代码实现中，newKeywords构建的成本比较高。需要将这10万条数据从数据库中读出，然后计算哈希值，构建newKeywords。这个过程显然是比较耗时。为了提高效率，原型模式就派上用场了。
拷贝currentKeywords数据到newKeywords中。然后从数据库中只捞出新增或者有更新的关键词，更新到newKeywords中。相对于10万条数据来说，每次新增或者更新的关键词个数是比较少的，所以，这种策略大大提高了数据更新的效率。代码实现如下：
- (void)version3
{
// 当前数据库的版本VA和更新时间
NSMutableDictionary *currentKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
NSInteger lastUpdateTime = 0;
// 新的版本数据 构建自 当前数据库版本的复制
NSMutableDictionary *newKeywords = [currentKeywords mutableCopy];
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
NSArray<DMSearchWord *> *searchWords = [self getSearchWords:lastUpdateTime];
for (DMSearchWord *searchWord in searchWords) {
if (searchWord.lastUpdateTime > lastUpdateTime) {
lastUpdateTime = searchWord.lastUpdateTime;
}
if ([[newKeywords allKeys] containsObject:searchWord.keyWord]) {
DMSearchWord *oldSearchWord = [newKeywords objectForKey:searchWord.keyWord];
oldSearchWord.count = searchWord.count;
oldSearchWord.lastUpdateTime = searchWord.lastUpdateTime;
} else {
[newKeywords setObject:searchWord forKey:searchWord.keyWord];
}
}
// 新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本 a 切换到版本 b
currentKeywords = newKeywords;
}
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
- (NSArray<DMSearchWord *> *)getSearchWords:(NSInteger)lastUpdateTime
{
NSArray<DMSearchWord *> *array = [[NSArray<DMSearchWord *> alloc] init];
return array;
}
在上面的代码中，通过mutableCopy浅拷贝方法来实习那原型模式。通过newKeywords更新DMSearchWord对象的时候（比如，更新“设计模式”这个搜索关键词的访问次数），newKeywords和currentKeywords因为指向相同的一组DMSearchWord对象，就会导致currentKeywords中指向的DMSearchWord，有的是老版本的，有的是新版本的，就没法满足之前的需求：currentKeywords中的数据在任何时候都是同一个版本的，不存在介于老版本与新版本之间的中间状态。
该如何解决这个问题呢？
可以将浅拷贝替换为深拷贝。newKeywords不仅仅复制currentKeywords的索引，还把DMSearchWord对象也复制一份出来。这样newKeywords和currentKeywords就指向不同的DMSearchWord对象，也就不存在更新newKeywords的数据会导致currentKeywords的数据也被更新的问题了。
如何实现深拷贝呢？递归拷贝对象、对象的引用对象以及引用对象的引用对象......知道要拷贝的对象只包含基本数据类型数据，没有引用对象为止。根据这个思路对代码进行重构，重构之后的代码如下：
// 遵守 NSCopying 协议
@interface DMSearchWord : NSObject <NSCopying>
@property (nonatomic, strong) NSString *keyWord;
@property (nonatomic, assign) NSInteger count;
@property (nonatomic, assign) NSInteger lastUpdateTime;
@end
@implementation DMSearchWord
// 实现 copyWithZone: 方法
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
DMSearchWord *searchWord = [[DMSearchWord allocWithZone:zone] init];
searchWord.keyWord = self.keyWord;
searchWord.count = self.count;
searchWord.lastUpdateTime = self.lastUpdateTime;
return searchWord;
}
@end
- (void)version4
{
// 当前数据库的版本VA和更新时间
NSMutableDictionary *currentKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
NSInteger lastUpdateTime = 0;
// 新的版本数据 构建自 当前数据库版本的复制
NSMutableDictionary *newKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
for (DMSearchWord *searchWord in currentKeywords.allValues) {
DMSearchWord *newSearchWord = [searchWord copy];
[newKeywords setObject:newSearchWord forKey:newSearchWord.keyWord];
}
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
NSArray<DMSearchWord *> *searchWords = [self getSearchWords:lastUpdateTime];
for (DMSearchWord *searchWord in searchWords) {
if (searchWord.lastUpdateTime > lastUpdateTime) {
lastUpdateTime = searchWord.lastUpdateTime;
}
if ([[newKeywords allKeys] containsObject:searchWord.keyWord]) {
DMSearchWord *oldSearchWord = [newKeywords objectForKey:searchWord.keyWord];
oldSearchWord.count = searchWord.count;
oldSearchWord.lastUpdateTime = searchWord.lastUpdateTime;
} else {
[newKeywords setObject:searchWord forKey:searchWord.keyWord];
}
}
// 新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本 a 切换到版本 b
currentKeywords = newKeywords;
}
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
- (NSArray<DMSearchWord *> *)getSearchWords:(NSInteger)lastUpdateTime
{
NSArray<DMSearchWord *> *array = [[NSArray<DMSearchWord *> alloc] init];
return array;
}
深拷贝都要比浅拷贝耗时、耗内存空间。针对这个应用场景，有没有更快、更省内存的实现方式呢？
可以先采用浅拷贝的方式创建newKeywords。对于需要更新的DMSearchWord对象，再使用深拷贝的方式创建一份新的对象，替换newKeywords中的老对象。毕竟需要更新的数据是很少的。这种方式即利用了浅拷贝节省时间、空间的优点，又能保证currentKeywords中的数据都是老版本的数据。代码实现如下：
- (void)version5
{
// 当前数据库的版本VA和更新时间
NSMutableDictionary *currentKeywords = [[NSMutableDictionary alloc] init];
NSInteger lastUpdateTime = 0;
// 新的版本数据 构建自 当前数据库版本的复制
NSMutableDictionary *newKeywords = [currentKeywords mutableCopy];
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
NSArray<DMSearchWord *> *searchWords = [self getSearchWords:lastUpdateTime];
for (DMSearchWord *searchWord in searchWords) {
if (searchWord.lastUpdateTime > lastUpdateTime) {
lastUpdateTime = searchWord.lastUpdateTime;
}
[newKeywords setObject:searchWord forKey:searchWord.keyWord];
}
// 新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本 a 切换到版本 b
currentKeywords = newKeywords;
}
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
- (NSArray<DMSearchWord *> *)getSearchWords:(NSInteger)lastUpdateTime
{
NSArray<DMSearchWord *> *array = [[NSArray<DMSearchWord *> alloc] init];
return array;
}
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