原型模式

Published on 2016 - 06 - 06

原型模式的定义

原型模式(Prototype Pattern)的简单程度仅次于单例模式和迭代器模式。正是由于简单,使用的场景才非常地多,其定义如下:

Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance,and create new objects by copying this prototype.(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。)

原型模式的通用类图如图3所示。

简单,太简单了!原型模式的核心是一个clone方法,通过该方法进行对象的拷贝,Java提供了一个Cloneable接口来标示这个对象是可拷贝的,为什么说是“标示”呢?翻开JDK的帮助看看Cloneable是一个方法都没有的,这个接口只是一个标记作用,在JVM中具有这个标记的对象才有可能被拷贝。那怎么才能从“有可能被拷贝”转换为“可以被拷贝”呢?方法是覆盖clone()方法,是的,你没有看错是重写clone()方法。

注意,在clone()方法上增加了一个注解@Override,没有继承一个类为什么可以覆写呢?想想看,在Java中所有类的老祖宗是谁?对嘛,Object类,每个类默认都是继承了这个类,所以用覆写是非常正确的——覆写了Object类中的clone方法!

在Java中原型模式是如此简单,我们来看通用源代码,如代码清单7所示。

public class PrototypeClass  implements Cloneable{
     //覆写父类Object方法
     @Override
     public PrototypeClass clone(){
             PrototypeClass prototypeClass = null;
             try {
                    prototypeClass = (PrototypeClass)super.clone();
             } catch (CloneNotSupportedException e) {
                    //异常处理
             }
             return prototypeClass;
     }
}

实现一个接口,然后重写clone方法,就完成了原型模式!

原型模式的应用

原型模式的优点

  • 性能优良

原型模式是在内存二进制流的拷贝,要比直接new一个对象性能好很多,特别是要在一个循环体内产生大量的对象时,原型模式可以更好地体现其优点。

  • 逃避构造函数的约束

这既是它的优点也是缺点,直接在内存中拷贝,构造函数是不会执行的。优点就是减少了约束,缺点也是减少了约束,需要大家在实际应用时考虑。

原型模式的使用场景

  • 资源优化场景

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。

  • 性能和安全要求的场景

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。

  • 一个对象多个修改者的场景

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。

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融为一体,大家可以随手拿来使用。

原型模式的注意事项

原型模式虽然很简单,但是在Java中使用原型模式也就是clone方法还是有一些注意事项的,我们通过几个例子逐个解说。

构造函数不会被执行

一个实现了Cloneable并重写了clone方法的类A,有一个无参构造或有参构造B,通过new关键字产生了一个对象S,再然后通过S.clone()方式产生了一个新的对象T,那么在对象拷贝时构造函数B是不会被执行的。我们来写一小段程序来说明这个问题,如代码清单8所示。

public class Thing implements Cloneable{
     public Thing(){
             System.out.println("构造函数被执行了...");
     }
     @Override
     public Thing clone(){
             Thing thing=null;
             try {
                    thing = (Thing)super.clone();
             } catch (CloneNotSupportedException e) {
                    e.printStackTrace();
             }
             return thing;
     }
}

然后我们再来写一个Client类,进行对象的拷贝,如代码清单9所示。

public class Client {
     public static void main(String[] args) {
             //产生一个对象
             Thing thing = new Thing();
             //拷贝一个对象
             Thing cloneThing = thing.clone();
     }
}

运行结果如下所示:

构造函数被执行了...

对象拷贝时构造函数确实没有被执行,这点从原理来讲也是可以讲得通的,Object类的clone方法的原理是从内存中(具体地说就是堆内存)以二进制流的方式进行拷贝,重新分配一个内存块,那构造函数没有被执行也是非常正常的了。

浅拷贝和深拷贝

在解释什么是浅拷贝和什么是深拷贝之前,我们先来看个例子,如代码清单10所示。

public class Thing implements Cloneable{
     //定义一个私有变量
     private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
     @Override
     public Thing clone(){
             Thing thing=null;
             try {
                    thing = (Thing)super.clone();
             } catch (CloneNotSupportedException e) {
                    e.printStackTrace();
             }
             return thing;
     }
     //设置HashMap的值
     public void setValue(String value){
             this.arrayList.add(value);
     }
     //取得arrayList的值
     public ArrayList<String> getValue(){
             return this.arrayList;
     }
}

在Thing类中增加一个私有变量arrayList,类型为ArrayList,然后通过setValue和getValue分别进行设置和取值,我们来看场景类是如何拷贝的,如代码清单11所示。

public class Client {
     public static void main(String[] args) {
             //产生一个对象
             Thing thing = new Thing();
           //设置一个值
             thing.setValue("张三");
             //拷贝一个对象
             Thing cloneThing = thing.clone();
             cloneThing.setValue("李四");
             System.out.println(thing.getValue());
     }
}

猜想一下运行结果应该是什么?是仅一个“张三”吗?运行结果如下所示:

[张三,李四]

怎么会这样呢?怎么会有李四呢?是因为Java做了一个偷懒的拷贝动作,Object类提供的方法clone只是拷贝本对象,其对象内部的数组、引用对象等都不拷贝,还是指向原生对象的内部元素地址,这种拷贝就叫做浅拷贝。确实是非常浅,两个对象共享了一个私有变量,你改我改大家都能改,是一种非常不安全的方式,在实际项目中使用还是比较少的(当然,这也是一种“危机”环境的一种救命方式)。你可能会比较奇怪,为什么在类中可以使用String类型,而不会产生由浅拷贝带来的问题呢?内部的数组和引用对象才不拷贝,其他的原始类型比如int、long、char等都会被拷贝,但是对于String类型,Java就希望你把它认为是基本类型,它是没有clone方法的,处理机制也比较特殊,通过字符串池(stringpool)在需要的时候才在内存中创建新的字符串,读者在使用的时候就把String当做基本类使用即可。

注意 使用原型模式时,引用的成员变量必须满足两个条件才不会被拷贝:一是类的成员变量,而不是方法内变量;二是必须是一个可变的引用对象,而不是一个原始类型或不可变对象。

浅拷贝是有风险的,那怎么才能深入地拷贝呢?我们修改一下程序就可以深拷贝,如代码清单12所示。

public class Thing implements Cloneable{
     //定义一个私有变量
     private ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
     @Override
      public Thing clone(){
             Thing thing=null;
             try {
                    thing = (Thing)super.clone();
                    thing.arrayList = (ArrayList<String>)this.arrayList.clone();
             } catch (CloneNotSupportedException e) {
                    e.printStackTrace();
             }
             return thing;
     }
}

仅仅增加了粗体部分,对私有的类变量进行独立的拷贝。Client类没有任何改变,运行结果如下所示:

[张三]

该方法就实现了完全的拷贝,两个对象之间没有任何的瓜葛了,你修改你的,我修改我的,不相互影响,这种拷贝就叫做深拷贝。深拷贝还有一种实现方式就是通过自己写二进制流来操作对象,然后实现对象的深拷贝,这个大家有时间自己实现一下。

注意 深拷贝和浅拷贝建议不要混合使用,特别是在涉及类的继承时,父类有多个引用的情况就非常复杂,建议的方案是深拷贝和浅拷贝分开实现。

clone与final两个冤家

对象的clone与对象内的final关键字是有冲突的,我们举例来说明这个问题,如代码清单13所示。

public class Thing implements Cloneable{
     //定义一个私有变量
     private final ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
     @Override
     public Thing clone(){
             Thing thing=null;
             try {
                    thing = (Thing)super.clone();       
                    this.arrayList = (ArrayList<String>)this.arrayList.clone();
             } catch (CloneNotSupportedException e) {
                    e.printStackTrace();
             }
             return thing;
     }
}

仅仅增加了一个final关键字,然后编译器就报斜体部分错误,正常呀,final类型你还想重赋值呀!你要实现深拷贝的梦想在final关键字的威胁下破灭了,路总是有的,我们来想想怎么修改这个方法:删除掉final关键字,这是最便捷、安全、快速的方式。你要使用clone方法,在类的成员变量上就不要增加final关键字。

注意 要使用clone方法,类的成员变量上不要增加final关键字。

参考文档