原型模式概述
在我们的日常生活中，经常会遇到"复制"这样的场景。比如我们在准备文件时，常常会复印一份原件；或者在手机上长按某个应用图标，可以快速创建一个完全相同的快捷方式。原型模式就是这样一种设计模式，它提供了一种通过复制现有对象来创建新对象的方式。
原型模式的核心思想是：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型来创建新的对象。如在Java中调用一个对象的clone()方法来获得该对象的副本。通过这种方式，我们可以隐藏复制对象的复杂性，提供一个统一的创建接口。
原型模式的组成
原型模式主要包含以下两个角色：
- Prototype（原型接口）：这是一个声明克隆方法的接口。在Java中，我们通常是通过实现Cloneable接口并重写Object类的clone()方法来实现。它就像是一个复印机的标准操作手册，规定了如何进行复制操作。
- ConcretePrototype（具体原型类）：实现了Prototype接口的具体类型，它们必须实现clone()方法。就像是可以被复印的具体文件，负责执行实际的复制操作。
浅拷贝和深拷贝
在理解原型模式时，最关键的是要弄清楚浅拷贝（Shallow Copy）和深拷贝（Deep Copy）的区别。
浅拷贝的实现与特点
浅拷贝是Java中默认的拷贝方式。当我们调用Object类的clone()方法时，会创建一个新对象，并将原对象中的基本类型字段值直接复制到新对象，而对于引用类型字段，则复制引用而不是创建新的对象。让我们看一个例子：
public class Employee implements Cloneable {
private String name;
private Department department; // 引用类型
public Employee(String name, Department department) {
this.name = name;
this.department = department;
}
@Override
public Employee clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Employee) super.clone();
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Department getDepartment() {
return department;
}
public void setDepartment(Department department) {
this.department = department;
}
}
public class Department {
private String name;
public Department(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
下面编写测试方法：
public void test() {
Employee employee = new Employee("1", new Department("1"));
try {
Employee clone = employee.clone();
clone.setName("2");
clone.getDepartment().setName("2");
System.out.println(employee.getName() + " " + employee.getDepartment().getName());
System.out.println(clone.getName() + " " + clone.getDepartment().getName());
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
测试结果：
在这个例子中，如果我们克隆一个Employee对象，新对象会有自己的name字段（String虽然是引用类型，但Java对其进行了特殊处理，表现得像基本类型），但department字段仍然指向原对象的Department实例。这就意味着，如果我们修改拷贝对象的department的属性，原对象的department也会跟着改变。
深拷贝的实现方式
要实现深拷贝，我们需要确保对象中的所有引用类型字段也被复制。实现深拷贝主要有两种方式：
1.递归克隆：
public class Employee implements Cloneable {
private String name;
private Department department;
@Override
public Employee clone() throws CloneNotSupportedException {
Employee cloned = (Employee) super.clone();
// 深拷贝：克隆引用类型字段
cloned.department = this.department.clone();
return cloned;
}
}
public class Department implements Cloneable {
private String name;
@Override
public Department clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Department) super.clone();
}
}
2.序列化方式：
public class Employee implements Serializable {
private String name;
private Department department;
public Employee deepCopy() {
try {
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(this);
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
return (Employee) ois.readObject();
} catch (Exception e) {
return null;
}
}
}
深拷贝确保了对象的完全独立性，克隆对象的修改不会影响原对象。这在处理复杂对象结构时特别重要，比如在游戏中复制一个包含多个装备的角色，或者在文档编辑器中复制一个包含多个图层的图形对象。
但需要注意的是，深拷贝也有其成本：它需要递归地复制所有关联对象或是需要进行额外的序列化与反序列化操作，这会消耗更多的内存和计算资源。因此，在选择使用浅拷贝还是深拷贝时，需要根据具体场景和需求来权衡。
原型模式优缺点
原型模式作为一种创建型设计模式，具有其独特的优势和局限性。理解这些特点对于正确使用原型模式至关重要。
- 优点：原型模式首先提供了一种快速创建对象的方法。当对象的创建过程比较复杂，比如需要经过繁琐的初始化，或者需要访问数据库、文件系统时，使用原型模式可以显著提高性能。其次，原型模式提供了一种隔离复杂对象创建过程的方法，让客户端代码与具体类的实现细节解耦。这样，客户端只需要知道如何克隆一个现有对象，而不需要了解创建的细节。
- 缺点：实现深拷贝时，如果对象的结构比较复杂，包含多层嵌套的引用类型，就需要编写较为复杂的克隆代码。另外，对于那些包含循环引用的对象（比如对象A中包含对象B的引用，对象B中又包含对象A的引用），使用原型模式可能会导致较大的开销，甚至可能出现死循环。
在使用原型模式时，建议先评估对象的结构复杂度和创建成本。如果对象结构简单，或者创建成本不高，直接使用new关键字可能是更好的选择。但如果对象的创建成本较高，或者需要经常创建相似对象，那么使用原型模式就是一个不错的选择。
原型模式的适用场景
- 在游戏开发中，当我们需要创建大量相似的游戏对象时，原型模式就非常有用。比如在一个射击游戏中，子弹、敌人、道具这些对象都会频繁创建，它们的基本属性和行为都是相似的，只是位置、速度等参数不同。这时使用原型模式，我们可以预先创建好这些对象的模板，然后通过克隆来快速生成新的实例。
- 在文档编辑器中，当用户需要复制一个复杂的文档对象时，这个文档可能包含文本、图片、表格等多种元素。使用原型模式可以方便地创建文档的副本，同时保持所有元素的格式和样式。
- 在处理大型配置对象时，比如数据库连接池的配置，这些配置对象通常包含大量的参数和复杂的嵌套结构。当需要创建多个相似的配置时，使用原型模式可以避免重复的初始化过程，同时也能确保配置的一致性。
总结
原型模式为我们提供了一种灵活且高效的对象创建方式，它通过复制现有对象来创建新对象，而不是从零开始构建。通过本文的讲解，我们了解了原型模式的核心思想、角色组成，以及浅拷贝和深拷贝的区别。
在实际应用中，选择使用浅拷贝还是深拷贝是一个关键决策点。对于简单对象，浅拷贝通常就足够了；但对于包含复杂引用关系的对象，可能需要实现深拷贝来确保对象的完全独立性。
需要注意的是，原型模式并不是银弹。它特别适合那些创建成本高、但结构相对稳定的对象。在使用时，要注意权衡性能和复杂度，选择最适合当前场景的实现方式。同时，也要注意处理好克隆过程中可能出现的异常情况，确保代码的健壮性。
