设计模式原型模式与 Spring 原型模式源码解析(包含Bean的创建过程)

原型模式

原型模式(Prototype模式)是指：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。

原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节。

工作原理是：通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象,这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即对象.clone

克隆羊问题

现有一只羊，姓名：tom，年龄：1，颜色：白色。克隆5只属性完全相同的羊

传统方式实例这里使用lombok简化代码

优点: 好理解，无脑操作，啪啪啪。

缺点:
在创建新对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象属性比较多时就贼麻烦。
总是重新初始化对象，而不是动态获取对象运行时的状态，不灵活。

改进思路:
Java中Object类是所有类的根类，Object类提供了一个clone()方法，该方法可以将一个Java对象复制一份，但是需要实现clone的Java类必须实现一个接口Cloneable，改接口表示该类能够复制且具有复制的能力，即原型模式。

/**
 * @author LionLi
 */
@Data
public class Sheep {

    private String name;
    private int age;
    private String color;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }
}

/**
 * @author LionLi
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        //传统的方法
        Sheep sheep1 = new Sheep("tom", 1, "白色");
        Sheep sheep2 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());
        Sheep sheep3 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());
        Sheep sheep4 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());
        Sheep sheep5 = new Sheep(sheep1.getName(), sheep1.getAge(), sheep1.getColor());

        System.out.println("sheep1:" + sheep1);
        System.out.println("sheep2:" + sheep2);
        System.out.println("sheep3:" + sheep3);
        System.out.println("sheep4:" + sheep4);
        System.out.println("sheep5:" + sheep5);
    }
}

浅拷贝与深拷贝

浅拷贝

对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象。

对于数据类型是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等，那么浅拷贝会进行引用传递，也就是只是将该成员变量的引用值（内存地址)复制一份给新的对象。

因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值。

浅拷贝是使用默认的clone()方法来实现的，即sheep = super.clone();

深拷贝

复制对象的所有基本数据类型的成员变量值，为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。

也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象(包括对象的引用类型)进行拷贝

深拷贝实现方式1：重写clone方法来实现深拷贝

深拷贝实现方式2：通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

原型模式(浅拷贝)

/**
 * 注意使用原型模式实现clone克隆方法必须实现 Cloneable 接口不然会报错
 *
 * @author LionLi
 */
@Data
public class Sheep implements Cloneable {

    private String name;
    private Integer age;
    private String color;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    @Override
    protected Sheep clone() {
        Sheep obj = null;
        try {
            obj = (Sheep) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return obj;
    }

}

/**
 * @author LionLi
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        // 原型浅克隆
        Sheep sheep1 = new Sheep("tom", 1, "白色");
        Sheep sheep2 = sheep1.clone();
        Sheep sheep3 = sheep1.clone();
        Sheep sheep4 = sheep1.clone();
        Sheep sheep5 = sheep1.clone();

        System.out.println(sheep1 == sheep2);
        System.out.println(sheep2 == sheep3);
        System.out.println(sheep3 == sheep4);
        System.out.println(sheep4 == sheep5);
        System.out.println(sheep5 == sheep1);
    }
}

运行结果五个对象内存地址全都不一样克隆成功

浅拷贝存在的问题

实体类中的对象例如 Object List Map 等均为引用传递浅拷贝是无法处理引用传递对象的

我们在Sheep中增加一个List对象演示问题所在

/**
 * 注意使用原型模式实现clone克隆方法必须实现 Cloneable 接口不然会报错
 *
 * @author LionLi
 */
@Data
public class Sheep implements Cloneable {

    private String name;
    private Integer age;
    private String color;
    private List<String> strList;

    public Sheep(String name, int age, String color, List<String> strList) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
        this.strList = strList;
    }

    @Override
    protected Sheep clone() {
        Sheep obj = null;
        try {
            obj = (Sheep) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return obj;
    }

}

/**
 * @author LionLi
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        // 原型浅克隆
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("测试1");
        list.add("测试2");
        Sheep sheep1 = new Sheep("tom", 1, "白色", list);
        Sheep sheep2 = sheep1.clone();

        System.out.println(sheep1 == sheep2);
        System.out.println(sheep1.getStrList() == sheep2.getStrList());
    }
}

测试结论对于引用对象List的内存地址是想同的克隆失败

深拷贝方法一重写clone方法

弊端: 编码复杂存在硬编码不利于扩展改动较大

    @Override
    protected Sheep clone() {
        Sheep obj = null;
        try {
            obj = (Sheep) super.clone();
            // 这里我们重新创建一个 List 对象 将所有数据 copy 到新对象内
            obj.setStrList(new ArrayList<>(strList));
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return obj;
    }

重新测试发现引用对象List也克隆成功了

深拷贝方法二通过序列化/反序列化实现

首先使用序列化需要实现JDK的序列化接口 Serializable 我们对实体类进行改造

这里我们讲述使用JDK自带方式进行序列化也可以使用JSON工具进行序列化这里不多赘述

import java.io.Serializable;
import java.util.List;

/**
 * @author LionLi
 */
@Data
public class Sheep implements Serializable {

    private String name;
    private Integer age;
    private String color;
    private List<String> strList;

    public Sheep(String name, int age, String color, List<String> strList) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
        this.strList = strList;
    }

}

然后对实体类增加serializableClone序列化克隆方法

    protected Sheep serializableClone() {
        // try-resources 写法 自动关闭流
        try (
            // 字节输出流
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
            // 对象输出流
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos)
        ) {
            // 将当前对象序列化为二进制输出到对象流内
            oos.writeObject(this);
            try (
                // 字节输入流
                ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
                // 对象输入流
                ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis)
            ) {
                // 从对象流读取二进制反序列化为对象
                return (Sheep) ois.readObject();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

测试成功 Sheep对象与List对象均为不相等

原型模式的注意事项和细节

创建新对象比较复杂是，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能提高效率
不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态
如果原始对象发生变化，其它克隆对象也会发生相应的变化，无需修改代码
在实现深克隆时可能需要比较复杂的代码
缺点：需要为每一个类配备一个克隆方法，这对全新的类来说不是很难。但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背了开闭原则(OCP)。

Spring中原型模式应用

在 Spring 中原型 bean 的创建，就是使用得原型设计模式

// @Scope("singleton") // 单例模式 默认单例
@Scope("prototype") // 原型模式 每次注入都会创建一个新的
@Bean()
public Object obj() {
  return new Object();
}

找到 AbstractBeanFactory 这个是 BeanFactory Bean工厂的抽象工厂，我们找到 doGetBean 方法这个是所有getBean的最终执行方法

不了解 BeanFactory 的请参考另一篇文章 Spring 的工厂模式 BeanFactory 是什么源码刨析

往下翻我们找到下方有个判断

然后我们进入到 createBean 方法实现
找到 AbstractAutowireCapableBeanFactory 此类为 AbstractBeanFactory 的下层抽象工厂实现用于在执行 @Autowire 自动注入时查找或创建bean实例

我们找到 doCreateBean 方法此方法是所有 createBean 方法的最终执行方法

进入 createBeanInstance 创建bean实例方法
找到最后两行查看逻辑

文章内容参考

Java设计模式——原型模式(实例)