【設計模式 - 4】之原型模式（Prototype）

1      模式簡介

原型模式的定義：通過複製一個現有的對象（原型）來得到一個相似的對象。

 

原型模式的UML圖如下圖所示：

從上圖中可以看到，所有的對象實體類都是繼承自一個Prototype的父類，而prototype類有一個可以複製對象的方法clone()，可以複製其任意子類。這樣，所有Prototype類的子類在整個程序中只需要new一次，其他情況下只需要從這幾個類中clone即可。

 

原型模式的適用場景：

1)        當系統中需要重複的使用某一些類的對象時；

2)        當這些對象的差別不是很大或完全相同時；

3)        當一個類的對象必須在某幾種狀態之中時；

4)        當系統需要對對象進行緩存時。

 

原型模式的優點：

1)        克隆一般是在內存中以流的形式進行的，比創建一個對象速度快，因此原型模式可以提高系統的性能；

2)        克隆對象的時候可以完全忽略類中的構造方法的訪問權限，因此逃避構造函數的約束。

 

原型模式的缺點：

1)        克隆並不是對所有的數據類型都適用，有些內部類（如ArrayList）是不支持克隆的；

2)        克隆會忽略構造函數的約束，因此對於一些單例的類也會生成克隆對象，容易導致系統錯誤。

 

2      案例代碼

需求：有三種形狀圓形（Circle）、矩形（Rectangle）和三角形（Triangle）。多次調用這些形狀排成一個隊列集合。

 

分析：我們可以把這個題目中的幾個邏輯想象成如下圖所示的關係：

我們讓圓形（Circle）、矩形（Rectangle）和三角形（Triangle）三種圖形繼承Shape父類，然後在緩存ShapeCache類中的HashMap中分別緩存三種形狀，當主函數中需要某種形狀的時候，我們就從緩存中克隆一個使用。

 

說明：

在JAVA中有一個Cloneable接口，是專門用來實現原型模式的。只需要讓一個類實現這個接口，重寫Object類的clone()方法，就可以方便的實現原型模式了。

 

代碼：

1）  原型父類Shape：

public class Shape implements Cloneable {
            protected String type;
 
            @Override
            protected Object clone() {
                 Shape shape = null;
                 try {
                       shape = (Shape) super.clone();
                  }catch (CloneNotSupportedException e) {
                       e.printStackTrace();
                 }
                 return shape;
            }
 
            public void introduce() {
                 System.out.println("This is a " + type);
            }
}

2）  Shape的子類（以Circle類爲例）：

public class Circle extends Shape {
 
            public Circle() {
                 super.type = "Circle";
            }
}

3）  緩存類ShapeCache：

public class ShapeCache {
            private Map<String, Shape> shapes;
 
            public ShapeCache() {
                 loadCache();
            }
 
            private void loadCache() {
                  shapes = new HashMap<>();
                 shapes.put("circle", new Circle());
                 shapes.put("rectangle", new Rectangle());
                 shapes.put("triangle", new Triangle());
            }
 
            public Shape getShape(String id) {
                 Shape shape = shapes.get(id);
                 return (Shape) shape.clone();
            }
}

4）  測試類Test：

public class Test {
            public static void main(String[] args) {
                 List<Shape> shapeList = new ArrayList<>();
 
                  ShapeCachecache = new ShapeCache();
                 shapeList.add(cache.getShape("triangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("circle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("rectangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("circle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("rectangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("triangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("rectangle"));
                 shapeList.add(cache.getShape("circle"));
 
                 for (Shape shape : shapeList) {
                       shape.introduce();
                 }
            }
}

5）  運行結果如下圖所示：

3      擴展

上面說過，JAVA中爲我們提供了一個Cloneable接口，只有實現了這個接口之後，重寫Object類中的clone()方法纔有效，否則會報CloneNotSupportedException異常。

 

使用原型模式複製對象時不會調用類的構造方法，因爲複製出來的對象是原型對象複製粘貼出來的，是直接在內存中複製數據，因此不會調用到類的構造方法，甚至連訪問權限都對原型模式無效，這一點在編程時需要特別注意。

 

Object類的clone()方法只能拷貝對象中的8種基本數據類型，對於數組、容器、引用對象等都不會拷貝，這種現象被成爲淺拷貝。與淺拷貝對應的是深拷貝，即在對對象進行淺拷貝之後，將對象中的數組、容器、引用對象單獨進行拷貝。

 

最後貼出原型模式的GitHub地址：【GitHub - Prototype】。