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原型模式

原型模式

作者: javacoo | 来源:发表于2020-06-03 09:05 被阅读0次

原型模式

所谓的原型模式,无非就是从一个对象再创建另一个可定制的对象,而且不需要知道任何创建的细节。所谓的原型模式,其实质就是编程需要中的克隆技术,以某个对象为原型,复制出新的对象。只是需要注意深复制与浅复制的问题。

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。

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。

介绍

意图: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。

主要解决:在运行期建立和删除原型。

何时使用: 1、当一个系统应该独立于它的产品创建,构成和表示时。 2、当要实例化的类是在运行时刻指定时,例如,通过动态装载。 3、为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。 4、当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。

如何解决:利用已有的一个原型对象,快速地生成和原型对象一样的实例。

关键代码: 1、实现克隆操作,在 JAVA 继承 Cloneable,重写 clone(),在 .NET 中可以使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法来实现对象的浅拷贝或通过序列化的方式来实现深拷贝。 2、原型模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型(易变类)之间的耦合关系,它同样要求这些"易变类"拥有稳定的接口。

应用实例: 1、细胞分裂。 2、JAVA 中的 Object clone() 方法。

优点: 1、性能提高。 2、逃避构造函数的约束。

缺点: 1、配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑,这对于全新的类不是很难,但对于已有的类不一定很容易,特别当一个类引用不支持串行化的间接对象,或者引用含有循环结构的时候。 2、必须实现 Cloneable 接口。

使用场景: 1、资源优化场景。 2、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。 3、性能和安全要求的场景。 4、通过 new 产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限,则可以使用原型模式。 5、一个对象多个修改者的场景。 6、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。 7、在实际项目中,原型模式很少单独出现,一般是和工厂方法模式一起出现,通过 clone 的方法创建一个对象,然后由工厂方法提供给调用者。原型模式已经与 Java 融为浑然一体,大家可以随手拿来使用。

注意事项:与通过对一个类进行实例化来构造新对象不同的是,原型模式是通过拷贝一个现有对象生成新对象的。浅拷贝实现 Cloneable,重写,深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流。

应用场景

你一定遇到过大篇幅getter、setter赋值的场景。例如这样的代码:


public class ContentDataDto {
    /**
     * 内容主键
     */
    private Integer contentId;
    /**
     * Item宽度(以单元格为单位)
     */
    private Integer itemWidth;

    /**
     * Item高度(以单元格为单位)
     */
    private Integer itemHeight;

    /**
     * Item的(x轴)横坐标(以单元格为单位)
     */
    private Integer itemx;

    /**
     * Item的(y轴)纵坐标(以单元格为单位)
     */
    private Integer itemy;

    /**
     * 布局ID
     */
    private Integer layoutId;
    /**
     * 业务数据id
     */
    private String bsid;

    /**
     * 标题(可包含简介等)
     */
    private String title;
    
    /**
     * 内容名称
     */
    private String tag;

    /**
     * 顺序
     */
    private Integer prior;
    /**
     * 数据来源:0-后台手动添加;1-同步请求添加
     */
    private Integer dataSource;
    /**
     * 内容评分
     */
    private String score;
    ...
}

代码非常工整,命名非常规范,注释也写的很全面,大家觉得这样的代码优雅吗?我认为,这样的代码属于纯体力劳动。那么原型模式,能帮助我们解决这样的问题。原型模式(Prototype Pattern)是指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。
原型模式主要适用于以下场景:
1、类初始化消耗资源较多。
2、new产生的一个对象需要非常繁琐的过程(数据准备、访问权限等)
3、构造函数比较复杂。
4、循环体中生产大量对象时。
在Spring中,原型模式应用得非常广泛。例如scope=“prototype”,在我们经常用的JSON.parseObject()也是一种原型模式。下面,我们来看看原型模式类结构图:

图片.png

简单克隆

一个标准的原型模式代码,应该是这样设计的。先创建原型Prototype接口:

public interface Prototype{
    Prototype clone();
}

创建具体需要克隆的对象ConcretePrototype :

public class ConcretePrototypeA implements Prototype {

    private int age;
    private String name;
    private List hobbies;

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public List getHobbies() {
        return hobbies;
    }

    public void setHobbies(List hobbies) {
        this.hobbies = hobbies;
    }

    @Override
    public ConcretePrototypeA clone() {
        ConcretePrototypeA concretePrototype = new ConcretePrototypeA();
        concretePrototype.setAge(this.age);
        concretePrototype.setName(this.name);
        concretePrototype.setHobbies(this.hobbies);
        return concretePrototype;
    }

}

创建Client对象:

public class Client {

    private Prototype prototype;

    public Client(Prototype prototype){
        this.prototype = prototype;
    }
    public Prototype startClone(Prototype concretePrototype){
        return (Prototype)concretePrototype.clone();
    }

}

测试代码:

public class PrototypeTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 创建一个具体的需要克隆的对象
        ConcretePrototypeA concretePrototype = new ConcretePrototypeA();
        // 填充属性,方便测试
        concretePrototype.setAge(18);
        concretePrototype.setName("prototype");
        List hobbies = new ArrayList<String>();
        concretePrototype.setHobbies(hobbies);
        System.out.println(concretePrototype);

        // 创建Client对象,准备开始克隆
        Client client = new Client(concretePrototype);
        ConcretePrototypeA concretePrototypeClone = (ConcretePrototypeA) client.startClone(concretePrototype);
        System.out.println(concretePrototypeClone);

        System.out.println("克隆对象中的引用类型地址值:" + concretePrototypeClone.getHobbies());
        System.out.println("原对象中的引用类型地址值:" + concretePrototype.getHobbies());
        System.out.println("对象地址比较:"+(concretePrototypeClone.getHobbies() == concretePrototype.getHobbies()));


    }
}

运行结果:

ConcretePrototypeA@1b6d3586
ConcretePrototypeA@4554617c
克隆对象中的引用类型地址值:[]
原对象中的引用类型地址值:[]
对象地址比较:true

Process finished with exit code 0

从测试结果看出hobbies的引用地址是相同的,意味着复制的不是值,而是引用的地址。这样的话,如果我们修改任意一个对象中的属性值,concretePrototype 和concretePrototypeCone的hobbies值都会改变。这就是我们常说的浅克隆。只是完整复制了值类型数据,没有赋值引用对象。换言之,所有的引用对象仍然指向原来的对象,显然不是我们想要的结果。下面我们来看深度克隆继续改造。

深度克隆

我们换一个场景,大家都知道齐天大圣。首先它是一只猴子,有七十二般变化,把一根毫毛就可以吹出千万个泼猴,手里还拿着金箍棒,金箍棒可以变大变小。这就是我们耳熟能详的原型模式的经典体现。
创建原型猴子Monkey类:

public class Monkey {
    public int height;
    public int weight;
    public Date birthday;

}

创建引用对象金箍棒Jingubang类:

public class JinGuBang implements Serializable {
    public float h = 100;
    public float d = 10;

    public void big(){
        this.d *= 2;
        this.h *= 2;
    }

    public void small(){
        this.d /= 2;
        this.h /= 2;
    }
}

创建具体的对象齐天大圣QiTianDaSheng类:

public class QiTianDaSheng extends Monkey implements Cloneable,Serializable {

    public JinGuBang jinGuBang;

    public  QiTianDaSheng(){
        //只是初始化
        this.birthday = new Date();
        this.jinGuBang = new JinGuBang();
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return this.deepClone();
    }


    public Object deepClone(){
        try{

            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this);

            ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);

            QiTianDaSheng copy = (QiTianDaSheng)ois.readObject();
            copy.birthday = new Date();
            return copy;

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
            return null;
        }

    }


    public QiTianDaSheng shallowClone(QiTianDaSheng target){

        QiTianDaSheng qiTianDaSheng = new QiTianDaSheng();
        qiTianDaSheng.height = target.height;
        qiTianDaSheng.weight = target.height;

        qiTianDaSheng.jinGuBang = target.jinGuBang;
        qiTianDaSheng.birthday = new Date();
        return  qiTianDaSheng;
    }


}

测试代码:

public class DeepCloneTest {

    public static void main(String[] args) {

        QiTianDaSheng qiTianDaSheng = new QiTianDaSheng();
        try {
            QiTianDaSheng clone = (QiTianDaSheng)qiTianDaSheng.clone();
            System.out.println("深克隆:" + (qiTianDaSheng.jinGuBang == clone.jinGuBang));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        QiTianDaSheng q = new QiTianDaSheng();
        QiTianDaSheng n = q.shallowClone(q);
        System.out.println("浅克隆:" + (q.jinGuBang == n.jinGuBang));


    }
}

运行结果:

深克隆:false
浅克隆:true

Process finished with exit code 0

克隆破坏单例模式

如果我们克隆的目标的对象是单例对象,那意味着,深克隆就会破坏单例。实际上防止克隆破坏单例解决思路非常简单,禁止深克隆便可。要么你我们的单例类不实现Cloneable接口;要么我们重写clone()方法,在clone方法中返回单例对象即可,具体代码如下:

@Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return this.deepClone();
    }

Cloneable源码分析

先看我们常用的ArrayList就实现了Cloneable接口,来看代码clone()方法的实现:

 public Object clone() {
        try {
            ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError(e);
        }
    }
一些信息
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