设计模式之原型模式

设计模式之原型模式

原型模式(Prototype Pattern):使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。原型模式是一种对象创建型模式。

原型模式的工作原理很简单: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自己来实现创建过程。由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况,因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。原型模式是一种“另类”的创建型模式,创建克隆对象的工厂就是原型类自身,工厂方法由克隆方法来实现。

需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象,它们在内存中拥有新的地址,通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响,每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。

原型模式

在原型模式结构图中包含如下几个角色:

  • Prototype(抽象原型类):它是声明克隆方法的接口,是所有具体原型类的公共父类,可以是抽象类也可以是接口,甚至还可以是具体实现类。
  • ConcretePrototype(具体原型类):它实现在抽象原型类中声明的克隆方法,在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
  • Client(客户类):让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象,在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象,再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程,因此用户可以根据需要选择具体原型类,系统具有较好的可扩展性,增加或更换具体原型类都很方便。

实现方法

通用方法

通用的克隆实现方法是在具体原型类的克隆方法中实例化一个与自身类型相同的对象并将其返回,并将相关的参数传入新创建的对象中,保证它们的成员属性相同。示意代码如下所示:

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class ConcretePrototype implements Prototype
{
private String attr; //成员属性
public void setAttr(String attr)
{
this.attr = attr;
}
public String getAttr()
{
return this.attr;
}
public Prototype clonePrototype() //克隆方法
{
Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
prototype.setAttr(this.attr);
return prototype;
}
}

Java语言提供的clone()方法

所有的Java类都继承自java.lang.Object。事实上,Object类提供一个clone()方法,可以将一个Java对象复制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的克隆,Java语言中的原型模式实现很简单。

注意:

  1. java 实现的clone是浅clone,如果有深clone的需要,可以覆写Object的clone方法。
  2. 如果要实现深clone,引用属性不能为final。

总结

原型模式作为一种快速创建大量相同或相似对象的方式,下面对该模式的使用效果和适用情况进行简单的总结。

主要优点

原型模式的主要优点如下:

  1. 当创建新的对象实例较为复杂时,使用原型模式可以简化对象的创建过程,通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
  2. 扩展性较好,由于在原型模式中提供了抽象原型类,在客户端可以针对抽象原型类进行编程,而将具体原型类写在配置文件中,增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
  3. 原型模式提供了简化的创建结构,工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构,而原型模式就不需要这样,原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的,无须专门的工厂类来创建产品。
  4. 可以使用深克隆的方式保存对象的状态,使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来,以便在需要的时候使用(如恢复到某一历史状态),可辅助实现撤销操作。

主要缺点

原型模式的主要缺点如下:

  1. 需要为每一个类配备一个克隆方法,而且该克隆方法位于一个类的内部,当对已有的类进行改造时,需要修改源代码,违背了“开闭原则”。
  2. 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码,而且当对象之间存在多重的嵌套引用时,为了实现深克隆,每一层对象对应的类都必须支持深克隆,实现起来可能会比较麻烦。
  3. 适用场景

在以下情况下可以考虑使用原型模式:

  1. 创建新对象成本较大(如初始化需要占用较长的时间,占用太多的CPU资源或网络资源),新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得,如果是相似对象,则可以对其成员变量稍作修改。
  2. 如果系统要保存对象的状态,而对象的状态变化很小,或者对象本身占用内存较少时,可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
  3. 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象,并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态,通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。
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