定义
原型模式(Prototype Pattern)：使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。原型模式是一种对象创建型模式。
结构图
要素：
●Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
● ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
● Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便。
class ConcretePrototype implements Prototype
{
private String attr; //成员属性
public void setAttr(String attr)
{
this.attr = attr;
}
public String getAttr()
{
return this.attr;
}
public Prototype clone() //克隆方法
{
Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
prototype.setAttr(this.attr);
return prototype;
}
}
Prototype obj1 = new ConcretePrototype();
obj1.setAttr("Sunny");
Prototype obj2 = obj1.clone();
注意点：
- 区分“浅克隆”与“深克隆”
- 可以使用Java自身的clone方法，实现Cloneable接口
示例
Sunny软件公司一直使用自行开发的一套OA (Office Automatic，办公自动化)系统进行日常工作办理，但在使用过程中，越来越多的人对工作周报的创建和编写模块产生了抱怨。追其原因，Sunny软件公司的OA管理员发现，由于某些岗位每周工作存在重复性，工作周报内容都大同小异，如图7-1工作周报示意图。这些周报只有一些小地方存在差异，但是现行系统每周默认创建的周报都是空白报表，用户只能通过重新输入或不断复制粘贴来填写重复的周报内容，极大降低了工作效率，浪费宝贵的时间。如何快速创建相同或者相似的工作周报，成为Sunny公司OA开发人员面临的一个新问题。
解决方案
//工作周报WeeklyLog：具体原型类，考虑到代码的可读性和易理解性，只列出部分与模式相关的核心代码
class WeeklyLog implements Cloneable
{
private String name;
private String date;
private String content;
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void setDate(String date) {
this.date = date;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public String getName() {
return (this.name);
}
public String getDate() {
return (this.date);
}
public String getContent() {
return (this.content);
}
//克隆方法clone()，此处使用Java语言提供的克隆机制
public WeeklyLog clone()
{
Object obj = null;
try
{
obj = super.clone();
return (WeeklyLog)obj;
}
catch(CloneNotSupportedException e)
{
System.out.println("不支持复制！");
return null;
}
}
}
class Client
{
public static void main(String args[])
{
WeeklyLog log_previous = new WeeklyLog(); //创建原型对象
log_previous.setName("张无忌");
log_previous.setDate("第12周");
log_previous.setContent("这周工作很忙，每天加班！");
System.out.println("****周报****");
System.out.println("周次：" + log_previous.getDate());
System.out.println("姓名：" + log_previous.getName());
System.out.println("内容：" + log_previous.getContent());
System.out.println("--------------------------------");
WeeklyLog log_new;
log_new = log_previous.clone(); //调用克隆方法创建克隆对象
log_new.setDate("第13周");
System.out.println("****周报****");
System.out.println("周次：" + log_new.getDate());
System.out.println("姓名：" + log_new.getName());
System.out.println("内容：" + log_new.getContent());
}
}
存在的问题：默认java的clone是浅克隆，克隆后的附件是原始附件是同一份
-
浅克隆
//附件类
class Attachment
{
private String name; //附件名
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
public String getName()
{
return this.name;
}
public void download()
{
System.out.println("下载附件，文件名为" + name);
}
}
//工作周报WeeklyLog
class WeeklyLog implements Cloneable
{
//为了简化设计和实现，假设一份工作周报中只有一个附件对象，实际情况中可以包含多个附件，可以通过List等集合对象来实现
private Attachment attachment;
private String name;
private String date;
private String content;
public void setAttachment(Attachment attachment) {
this.attachment = attachment;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void setDate(String date) {
this.date = date;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public Attachment getAttachment(){
return (this.attachment);
}
public String getName() {
return (this.name);
}
public String getDate() {
return (this.date);
}
public String getContent() {
return (this.content);
}
//使用clone()方法实现浅克隆
public WeeklyLog clone()
{
Object obj = null;
try
{
obj = super.clone();
return (WeeklyLog)obj;
}
catch(CloneNotSupportedException e)
{
System.out.println("不支持复制！");
return null;
}
}
}
class Client
{
public static void main(String args[])
{
WeeklyLog log_previous, log_new;
log_previous = new WeeklyLog(); //创建原型对象
Attachment attachment = new Attachment(); //创建附件对象
log_previous.setAttachment(attachment); //将附件添加到周报中
log_new = log_previous.clone(); //调用克隆方法创建克隆对象
//比较周报
System.out.println("周报是否相同？ " + (log_previous == log_new));
//比较附件
System.out.println("附件是否相同？ " + (log_previous.getAttachment() == log_new.getAttachment()));
}
}
- 深克隆
在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化(Serialization)等方式来实现
import java.io.*;
//附件类
class Attachment implements Serializable
{
private String name; //附件名
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
public String getName()
{
return this.name;
}
public void download()
{
System.out.println("下载附件，文件名为" + name);
}
}
import java.io.*;
//工作周报类
class WeeklyLog implements Serializable
{
private Attachment attachment;
private String name;
private String date;
private String content;
public void setAttachment(Attachment attachment) {
this.attachment = attachment;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void setDate(String date) {
this.date = date;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public Attachment getAttachment(){
return (this.attachment);
}
public String getName() {
return (this.name);
}
public String getDate() {
return (this.date);
}
public String getContent() {
return (this.content);
}
//使用序列化技术实现深克隆
public WeeklyLog deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException, OptionalDataException
{
//将对象写入流中
ByteArrayOutputStream bao=new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos=new ObjectOutputStream(bao);
oos.writeObject(this);
//将对象从流中取出
ByteArrayInputStream bis=new ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
ObjectInputStream ois=new ObjectInputStream(bis);
return (WeeklyLog)ois.readObject();
}
}
class Client
{
public static void main(String args[])
{
WeeklyLog log_previous, log_new = null;
log_previous = new WeeklyLog(); //创建原型对象
Attachment attachment = new Attachment(); //创建附件对象
log_previous.setAttachment(attachment); //将附件添加到周报中
try
{
log_new = log_previous.deepClone(); //调用深克隆方法创建克隆对象
}
catch(Exception e)
{
System.err.println("克隆失败！");
}
//比较周报
System.out.println("周报是否相同？ " + (log_previous == log_new));
//比较附件
System.out.println("附件是否相同？ " + (log_previous.getAttachment() == log_new.getAttachment()));
}
}
原型管理器
原型管理器(Prototype Manager)是将多个原型对象存储在一个集合中供客户端使用，它是一个专门负责克隆对象的工厂，其中定义了一个集合用于存储原型对象，如果需要某个原型对象的一个克隆，可以通过复制集合中对应的原型对象来获得
示例二
Sunny软件公司在日常办公中有许多公文需要创建、递交和审批，例如《可行性分析报告》、《立项建议书》、《软件需求规格说明书》、《项目进展报告》等，为了提高工作效率，在OA系统中为各类公文均创建了模板，用户可以通过这些模板快速创建新的公文，这些公文模板需要统一进行管理，系统根据用户请求的不同生成不同的新公文。
import java.util.*;
//抽象公文接口，也可定义为抽象类，提供clone()方法的实现，将业务方法声明为抽象方法
interface OfficialDocument extends Cloneable
{
public OfficialDocument clone();
public void display();
}
//可行性分析报告(Feasibility Analysis Report)类
class FAR implements OfficialDocument
{
public OfficialDocument clone()
{
OfficialDocument far = null;
try
{
far = (OfficialDocument)super.clone();
}
catch(CloneNotSupportedException e)
{
System.out.println("不支持复制！");
}
return far;
}
public void display()
{
System.out.println("《可行性分析报告》");
}
}
//软件需求规格说明书(Software Requirements Specification)类
class SRS implements OfficialDocument
{
public OfficialDocument clone()
{
OfficialDocument srs = null;
try
{
srs = (OfficialDocument)super.clone();
}
catch(CloneNotSupportedException e)
{
System.out.println("不支持复制！");
}
return srs;
}
public void display()
{
System.out.println("《软件需求规格说明书》");
}
}
//原型管理器（使用饿汉式单例实现）
class PrototypeManager
{
//定义一个Hashtable，用于存储原型对象
private Hashtable ht=new Hashtable();
private static PrototypeManager pm = new PrototypeManager();
//为Hashtable增加公文对象
private PrototypeManager()
{
ht.put("far",new FAR());
ht.put("srs",new SRS());
}
//增加新的公文对象
public void addOfficialDocument(String key,OfficialDocument doc)
{
ht.put(key,doc);
}
//通过浅克隆获取新的公文对象
public OfficialDocument getOfficialDocument(String key)
{
return ((OfficialDocument)ht.get(key)).clone();
}
public static PrototypeManager getPrototypeManager()
{
return pm;
}
}
class Client
{
public static void main(String args[])
{
//获取原型管理器对象
PrototypeManager pm = PrototypeManager.getPrototypeManager();
OfficialDocument doc1,doc2,doc3,doc4;
doc1 = pm.getOfficialDocument("far");
doc1.display();
doc2 = pm.getOfficialDocument("far");
doc2.display();
System.out.println(doc1 == doc2);
doc3 = pm.getOfficialDocument("srs");
doc3.display();
doc4 = pm.getOfficialDocument("srs");
doc4.display();
System.out.println(doc3 == doc4);
}
}
总结
主要优点如下：
(1) 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
(2) 扩展性较好，由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
(3) 原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
(4) 可以使用深克隆的方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来，以便在需要的时候使用（如恢复到某一历史状态），可辅助实现撤销操作。
主要缺点如下：
(1) 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了“开闭原则”。
(2) 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。
适用场景
(1) 创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
(2) 如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
(3) 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便
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