设计模式系列—原型模式
zhongshish 2020-10-21
前言
- 23种设计模式速记
- 单例（singleton）模式
- 工厂方法（factory method）模式
- 抽象工厂（abstract factory）模式
- 建造者/构建器（builder）模式
23种设计模式快速记忆的请看上面第一篇，本篇和大家一起来学习原型模式，在学习原型模式之前我们需要先认识下浅拷贝和深拷贝这两个概念。
浅拷贝和深拷贝
浅拷贝
浅拷贝是按位拷贝对象，它会创建一个新对象，这个对象有着原始对象属性值的一份精确拷贝。如果属性是基本类型，拷贝的就是基本类型的值；如果属性是内存地址（引用类型），拷贝的就是内存地址 ，因此如果其中一个对象改变了这个地址，就会影响到另一个对象。
复制了对象的引用地址，两个对象指向同一个内存地址，所以修改其中任意的值，另一个值都会随之变化。
深拷贝
深拷贝会拷贝所有的属性,并拷贝属性指向的动态分配的内存。当对象和它所引用的对象一起拷贝时即发生深拷贝。深拷贝相比于浅拷贝速度较慢并且花销较大。
将对象及值复制过来，两个对象修改其中任意的值另一个值不会改变。
模式定义
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。
原型模式其实就是一个对象在创建另一个可定制的对象，而且不需要指定任何创建的细节。Java提供了Coneable接口，其中有一个唯一方法Clone()，实现这个接口就可以完成原型模式了。
实例说明
浅拷贝案例
声明 User 实体类，需要实现 Cloneable 接口，并覆写 clone() 方法。
User 属性包括基础数据类型和引用数据类型，方便演示
package com.niuh.designpattern.prototype;
/**
* 用户信息
*/
public class User implements Cloneable {
// 基础数据类型
private int id;
private String name;
private String sex;
private String pwd;
// 引用数据类型
private BaseInfo baseInfo;
public User(int id, String name, String sex, String pwd, BaseInfo baseInfo) {
this.id = id;
this.name = name;
this.sex = sex;
this.pwd = pwd;
this.baseInfo = baseInfo;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getSex() {
return sex;
}
public void setSex(String sex) {
this.sex = sex;
}
public String getPwd() {
return pwd;
}
public void setPwd(String pwd) {
this.pwd = pwd;
}
public BaseInfo getBaseInfo() {
return baseInfo;
}
public void setBaseInfo(BaseInfo baseInfo) {
this.baseInfo = baseInfo;
}
@Override
public String toString() {
return "hashCode: " + super.hashCode() + ", User{" +
"id=" + id +
", name='" + name + '\'' +
", sex='" + sex + '\'' +
", pwd='" + pwd + '\'' +
", baseInfo=" + baseInfo +
'}';
}
@Override
protected User clone() throws CloneNotSupportedException {
return (User) super.clone();
}
} package com.niuh.designpattern.prototype;
import java.util.Date;
/**
* 基础类
*/
public class BaseInfo {
private String desc;
// .......
public BaseInfo(String desc) {
this.desc = desc;
}
public String getDesc() {
return desc;
}
public void setDesc(String desc) {
this.desc = desc;
}
@Override
public String toString() {
return "BaseInfo{" +
"desc=" + desc +
'}';
}
} package com.niuh.designpattern.prototype;
/**
* 原型设计模式
*/
public class PrototypePattern {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
BaseInfo baseInfo = new BaseInfo("张三");
User user1 = new User(1, "张三", "男", "123456", baseInfo);
// new User ......
// 克隆机制
User user2 = user1.clone();
user2.setId(2);
user2.setName("李四");
BaseInfo baseInfo1 = user2.getBaseInfo();
baseInfo1.setDesc("李四");
System.out.println(user1);
System.out.println(user2);
}
} 输出结果如下：
由输出的结果可见，通过 user1.clone() 拷贝对象后得到的 user2，和 user1 是两个不同的对象，HashCode 值不一样。user1 和 user2 的基础数据类型的修改互不影响，而引用类型 baseInfo 修改后是会有影响的。
深拷贝案例
通过上面的例子可以看到，浅拷贝会带来数据安全方面的隐患，例如我们只是想修改了 user2 的 baseInfo，但是 user1 的 baseInfo 也被修改了，因为它们都是指向的同一个地址。所以，此种情况下，我们需要用到深拷贝。
深拷贝，在拷贝引用类型成员变量时，为引用类型的数据成员另辟了一个独立的内存空间，实现真正内容上的拷贝。
对于 User 的引用类型的成员变量 BaseInfo ，需要实现 Cloneable 并重写 clone() 方法。
package com.niuh.designpattern.prototype;
import java.util.Date;
/**
* 基础类
*/
public class BaseInfo implements Cloneable {
private String desc;
// .......
public BaseInfo(String desc) {
this.desc = desc;
}
public String getDesc() {
return desc;
}
public void setDesc(String desc) {
this.desc = desc;
}
@Override
public String toString() {
return "BaseInfo{" +
"desc=" + desc +
'}';
}
@Override
protected BaseInfo clone() throws CloneNotSupportedException {
//BaseInfo 如果也有引用类型的成员属性，也应该和 User 类一样实现
return (BaseInfo) super.clone();
}
} 在 User 的 clone() 方法中，需要拿到拷贝自己后产生的新的对象，然后对新的对象的引用类型再调用拷贝操作，实现对引用类型成员变量的深拷贝。
package com.niuh.designpattern.prototype;
/**
* 用户信息
*/
public class User implements Cloneable {
// 基础数据类型
private int id;
private String name;
private String sex;
private String pwd;
// 引用数据类型
private BaseInfo baseInfo;
public User(int id, String name, String sex, String pwd, BaseInfo baseInfo) {
this.id = id;
this.name = name;
this.sex = sex;
this.pwd = pwd;
this.baseInfo = baseInfo;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getSex() {
return sex;
}
public void setSex(String sex) {
this.sex = sex;
}
public String getPwd() {
return pwd;
}
public void setPwd(String pwd) {
this.pwd = pwd;
}
public BaseInfo getBaseInfo() {
return baseInfo;
}
public void setBaseInfo(BaseInfo baseInfo) {
this.baseInfo = baseInfo;
}
@Override
public String toString() {
return "hashCode: " + super.hashCode() + ", User{" +
"id=" + id +
", name='" + name + '\'' +
", sex='" + sex + '\'' +
", pwd='" + pwd + '\'' +
", baseInfo=" + baseInfo +
'}';
}
@Override
protected User clone() throws CloneNotSupportedException {
// 深拷贝
User user = (User) super.clone();
user.baseInfo = baseInfo.clone();
return user;
}
} 与上面的使用方式一样，输出结果如下：
由输出结果可见，深拷贝后，不管是基础数据类型还是引用类型的成员变量，修改其值都不会相互造成影响。
序列化机制实现深拷贝
需要在 User 类实现 Serializable，成员类型（BaseInfo）也需要实现 Serializable 接口。
package com.niuh.designpattern.prototype;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;
/**
* 用户信息
*/
public class User implements Cloneable , Serializable {
// 基础数据类型
private int id;
private String name;
private String sex;
private String pwd;
// 引用数据类型
private BaseInfo baseInfo;
public User(int id, String name, String sex, String pwd, BaseInfo baseInfo) {
this.id = id;
this.name = name;
this.sex = sex;
this.pwd = pwd;
this.baseInfo = baseInfo;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getSex() {
return sex;
}
public void setSex(String sex) {
this.sex = sex;
}
public String getPwd() {
return pwd;
}
public void setPwd(String pwd) {
this.pwd = pwd;
}
public BaseInfo getBaseInfo() {
return baseInfo;
}
public void setBaseInfo(BaseInfo baseInfo) {
this.baseInfo = baseInfo;
}
@Override
public String toString() {
return "hashCode: " + super.hashCode() + ", User{" +
"id=" + id +
", name='" + name + '\'' +
", sex='" + sex + '\'' +
", pwd='" + pwd + '\'' +
", baseInfo=" + baseInfo +
'}';
}
@Override
protected User clone() throws CloneNotSupportedException {
// 深拷贝
// User user = (User) super.clone();
// user.baseInfo = baseInfo.clone();
// return user;
ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream)) {
oos.writeObject(this);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(byteArrayOutputStream.toByteArray());
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream)) {
try {
User user = (User) ois.readObject();
return user;
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
} 这个时候并没有使用Java深拷贝，改变成员属性Baseinfo，也能保存对象的独立性。
通过序列化机制来完成深拷贝不推荐使用，因为序列化操作是CPU密集型，解析流是比较消耗性能，速度会比较慢
优点
- 可以不耦合具体类的情况下克隆对象
- 避免重复的初始化代码
- 更方便的构建复杂对象
缺点
- 适用性不是很广。
- 每一个类必须配备一个克隆方法。
- 配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。
应用场景
当代码不应该依赖于需要复制的对象的具体类时，请使用Prototype模式。
- 某些结构复杂的对象的创建工作；由于需求的变化，这些对象经常面临着剧烈的变化，但是他们却拥有比较稳定一致的接口；
- 一般在初始化的信息不发生变化的情况下，克隆是最好的方法。
源码中的应用
#Spring org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanDefinition #JDK java.util.Arrays java.util.ArrayList ......
ArrayList中的使用
ArrayList也有clone()方法，如下
- 返回一个Object对象，所以在使用此方法的时候要强制转换。
- ArrayList的本质是维护了一个Object的数组，所以克隆也是通过数组的复制实现的，属于浅复制。
@Override
public Object clone() {
try {
ArrayList<?> result = (ArrayList<?>) super.clone();
result.array = array.clone();
return result;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new AssertionError();
}
} ArrayList的Clone浅复制的巧妙使用
当你需要使用remove方法移除掉集合中的对象，而非要修改集合中的对象的时候，可以选择使用。
//添加两个元素
Student stJack=new Student("Jack", 13);
Student stTom=new Student("Tom", 15);
list.add(stJack);
list.add(stTom);
//克隆
ArrayList<Student> listCopy=(ArrayList<Student>) list.clone();
//移除且不修改
listCopy.remove(1);
System.out.println(list);
System.out.println(listCopy); 
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