【设计模式-原型】

**原型模式（Prototype Pattern）**是一种创建型设计模式，旨在通过复制现有对象的方式来创建新对象，而不是通过实例化类来创建对象。该模式允许对象通过克隆（复制）来创建新的实例，因此避免了重新创建对象带来的开销，尤其在对象创建复杂、耗时的情况下。

1. 定义

原型模式使用一个现有的对象作为原型，创建新对象时，通过克隆该对象来生成新对象。这个模式提供了一个接口来复制已有对象，并允许客户端通过该接口请求复制对象。

2. 原型模式的结构

原型模式主要包含以下几个部分：

Prototype（原型接口）：定义了一个 clone() 方法，用于克隆自身。具体实现可以是浅拷贝或深拷贝。
ConcretePrototype（具体原型类）：实现了 Prototype 接口，并实现 clone() 方法。通常使用 Java 的 Cloneable 接口来实现克隆。
Client（客户端）：通过调用原型的 clone() 方法来获取对象，而不是直接通过构造函数创建对象。

3. 原型模式的工作原理

原型模式的关键在于提供一个能够复制自身的原型接口，并在具体类中实现该接口的 clone() 方法。通过克隆现有对象来创建新对象，这样既节省了资源，又能提高系统性能。

3.1 浅拷贝 vs 深拷贝

浅拷贝：复制对象时，拷贝所有字段，但如果字段是对象类型，则只复制对象的引用。换句话说，浅拷贝只是复制了对象的内存地址，因此新旧对象共享相同的引用类型字段。
深拷贝：不仅复制字段，还会递归地复制引用类型的对象，确保新对象是独立的，彼此不共享任何状态。

4. 原型模式的 UML 类图

在这里插入图片描述

5. Java 中的原型模式示例

Java 提供了 Cloneable 接口和 Object 类中的 clone() 方法，支持原型模式的实现。

5.1 示例代码

class Prototype implements Cloneable {private String name;private int age;public Prototype(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}// 实现 clone 方法@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone();  // 浅拷贝}public String getName() {return name;}public int getAge() {return age;}@Overridepublic String toString() {return "Prototype{name='" + name + "', age=" + age + "}";}
}public class PrototypePatternDemo {public static void main(String[] args) {try {// 创建原型对象Prototype original = new Prototype("Alice", 25);System.out.println("Original Object: " + original);// 克隆原型对象Prototype clone = (Prototype) original.clone();System.out.println("Cloned Object: " + clone);// 修改原始对象，会影响克隆对象System.out.println("Objects are different: " + (original != clone));} catch (CloneNotSupportedException e) {e.printStackTrace();}}
}

输出：

Original Object: Prototype{name='Alice', age=25}
Cloned Object: Prototype{name='Alice', age=25}
Objects are different: true

5.2 深拷贝示例

class Address implements Cloneable {private String city;private String country;public Address(String city, String country) {this.city = city;this.country = country;}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone();  // 浅拷贝}@Overridepublic String toString() {return "Address{city='" + city + "', country='" + country + "'}";}
}class Person implements Cloneable {private String name;private int age;private Address address;public Person(String name, int age, Address address) {this.name = name;this.age = age;this.address = address;}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {// 深拷贝: 克隆引用类型字段Person cloned = (Person) super.clone();cloned.address = (Address) address.clone();  // 深拷贝 Address 对象return cloned;}@Overridepublic String toString() {return "Person{name='" + name + "', age=" + age + ", address=" + address + "}";}
}public class DeepCopyDemo {public static void main(String[] args) {try {// 创建原型对象Address address = new Address("New York", "USA");Person person1 = new Person("John", 30, address);System.out.println("Original: " + person1);// 克隆对象Person person2 = (Person) person1.clone();System.out.println("Cloned: " + person2);// 修改原始对象中的地址，不影响克隆对象中的地址address.city = "Los Angeles";System.out.println("After modifying address:");System.out.println("Original: " + person1);System.out.println("Cloned: " + person2);} catch (CloneNotSupportedException e) {e.printStackTrace();}}
}

输出：

Original: Person{name='John', age=30, address=Address{city='New York', country='USA'}}
Cloned: Person{name='John', age=30, address=Address{city='New York', country='USA'}}
After modifying address:
Original: Person{name='John', age=30, address=Address{city='Los Angeles', country='USA'}}
Cloned: Person{name='John', age=30, address=Address{city='New York', country='USA'}}

6. 原型模式的优点

性能优化：当创建对象代价较高时，克隆可以比通过构造函数创建新对象更加高效。
动态创建对象：原型模式允许在运行时动态地创建对象，而不需要知道具体的类或实现。
减少子类数目：避免了频繁的使用子类去生成对象，通过克隆可以生成对象的不同版本。

7. 原型模式的缺点

深拷贝复杂：如果对象中有复杂的嵌套对象或循环引用，深拷贝的实现会非常复杂，需要逐层克隆每个引用的对象。
依赖于具体的实现：克隆对象需要依赖类的 clone() 方法，可能会限制类的灵活性。

8. 原型模式的应用场景

资源消耗大的对象创建：比如对象创建需要读取数据库、大量计算或需要访问网络资源时，可以使用原型模式进行克隆操作。
重复创建相似对象：在某些系统中，需要频繁创建内容相似的对象，使用原型模式可以节省时间。
不可变对象的场景：某些情况下，创建后不可修改的对象，原型模式可以保证对象的唯一性和一致性。

9. 总结

原型模式是一种有效的设计模式，适用于创建开销较大的对象。通过 clone() 方法，可以快速创建相同或类似的对象，减少创建新对象的成本。同时，它支持浅拷贝和深拷贝的灵活实现，在复杂的对象克隆场景下，深拷贝需要特别的设计。