研磨设计模式 之 原型模式（Prototype）3 ——跟着cc学设计系列
?
（1）原型模式的功能
原型模式的功能实际上包含两个方面：
原型模式要实现的主要功能就是：通过克隆来创建新的对象实例。一般来讲，新创建出来的实例的数据是和原型实例一样的。但是具体如何实现克隆，需要由程序自行实现，原型模式并没有统一的要求和实现算法。
（2）原型与new
原型模式从某种意义上说，就像是new操作，在前面的例子实现中，克隆方法就是使用new来实现的，但请注意，只是“类似于new”而不是“就是new”。
克隆方法和new操作最明显的不同就在于：new一个对象实例，一般属性是没有值的，或者是只有默认值；如果是克隆得到的一个实例，通常属性是有值的，属性的值就是原型对象实例在克隆的时候，原型对象实例的属性的值。
（3）原型实例和克隆的实例
原型实例和克隆出来的实例，本质上是不同的实例，克隆完成后，它们之间是没有关联的，如果克隆完成后，克隆出来的实例的属性的值发生了改变，是不会影响到原型实例的。下面写个示例来测试一下，示例代码如下：
public class Client {
??? public static void main(String[] args) {
?????? //先创建原型实例
?????? OrderApi oa1 = new PersonalOrder();
?
?????? //设置原型实例的订单数量的值
?????? oa1.setOrderProductNum(100);
?????? //为了简单，这里仅仅输出数量
??? ??? System.out.println("这是第一次获取的对象实例==="
+oa1.getOrderProductNum());
?
?????? //通过克隆来获取新的实例
??? ??? OrderApi oa2 = (OrderApi)oa1.cloneOrder();
?????? //修改它的数量
?????? oa2.setOrderProductNum(80);
?????? //输出克隆出来的对象的值
?????? System.out.println("输出克隆出来的实例==="
+oa2.getOrderProductNum());
?
?????? //再次输出原型实例的值
?????? System.out.println("再次输出原型实例==="
+oa1.getOrderProductNum());??
??? }
}
运行一下，看看结果：
这是第一次获取的对象实例===100
输出克隆出来的实例===80
再次输出原型实例===100
仔细观察上面的结果，会发现原型实例和克隆出来的实例是完全独立的，也就是它们指向不同的内存空间。因为克隆出来的实例的值已经被改变了，而原型实例的值还是原来的值，并没有变化，这就说明两个实例是对应的不同内存空间。
（4）原型模式的调用顺序示意图
原型模式的调用顺序如图9.3所示：
?
图9.3? 原型模式的调用顺序示意图
在Java语言中已经提供了clone方法，定义在Object类中。关于Java中clone方法的知识，这里不去赘述，下面看看怎么使用Java里面的克隆方法来实现原型模式。
?????? 需要克隆功能的类，只需要实现java.lang.Cloneable接口，这个接口没有需要实现的方法，是一个标识接口。因此在前面的实现中，把订单接口中的克隆方法去掉，现在直接实现Java中的接口就好了。新的订单接口实现，示例代码如下：
public interface OrderApi {
??? public int getOrderProductNum();
??? public void setOrderProductNum(int num);
??? public OrderApi cloneOrder();
}
另外在具体的订单实现对象里面，实现方式上会有一些改变，个人订单和企业订单的克隆实现是类似的，因此示范一个就好了，看看个人订单的实现吧，示例代码如下：
/**
?* 个人订单对象,利用Java的Clone功能
?*/
public class PersonalOrder implements Cloneable? , OrderApi{
??? private String customerName;
??? private String productId;
??? private int orderProductNum = 0;
??? public int getOrderProductNum() {
?????? return this.orderProductNum;
??? }??
??? public void setOrderProductNum(int num) {
?????? this.orderProductNum = num;
??? }??
??? public String getCustomerName() {
?????? return customerName;
??? }
??? public void setCustomerName(String customerName) {
?????? this.customerName = customerName;
??? }
??? public String getProductId() {
?????? return productId;
??? }
??? public void setProductId(String productId) {
?????? this.productId = productId;
??? }
??? public String toString(){
?????? return "本个人订单的订购人是="+this.customerName
+"，订购产品是="+this.productId+"，订购数量为="
+this.orderProductNum;
??? }
??? public OrderApi cloneOrder() {
?????? //?创建一个新的订单，然后把本实例的数据复制过去
?????? PersonalOrder order = new PersonalOrder();
?????? order.setCustomerName(this.customerName);
?????? order.setProductId(this.productId);
?????? order.setOrderProductNum(this.orderProductNum);?????
?????? return order;
??? }
????public?Object clone(){
?????? //克隆方法的真正实现，直接调用父类的克隆方法就可以了
?????? Object obj = null;
?????? try {
?????????? obj = super.clone();
?????? } catch (CloneNotSupportedException e) {
?????????? e.printStackTrace();
?????? }
?????? return obj;
??? }
}
?????? 看起来，比完全由自己实现原型模式要稍稍简单点，是否好用呢？还是测试一下，看看效果。客户端跟上一个示例相比，作了两点修改：
看看测试用的代码，示例代码如下：
public class Client {
??? public static void main(String[] args) {
?????? //先创建原型实例
?????? PersonalOrder oa1 = new PersonalOrder();?????
?????? //设置原型实例的订单数量的值
?????? oa1.setOrderProductNum(100);
??? ? ??System.out.println("这是第一次获取的对象实例==="
+oa1.getOrderProductNum());?? ???
?????? //通过克隆来获取新的实例
??? ????PersonalOrder oa2 = (PersonalOrder)oa1.clone();
?????? oa2.setOrderProductNum(80);
?????? System.out.println("输出克隆出来的实例==="
+oa2.getOrderProductNum());?????
?????? //再次输出原型实例的值
?????? System.out.println("再次输出原型实例==="
+oa1.getOrderProductNum());??
??? }
}
去运行一下，测试看看。
无论你是自己实现克隆方法，还是采用Java提供的克隆方法，都存在一个浅度克隆和深度克隆的问题，那么什么是浅度克隆？什么是深度克隆呢？简单地解释一下：
?????? 在前面的例子中实现的克隆就是典型的浅度克隆，下面就来看看如何实现深度克隆。
1：自己实现原型的深度克隆
（1）要演示深度克隆，需要给订单对象添加一个引用类型的属性，这样实现克隆过后，才能看出深度克隆的效果来。
那就定义一个产品对象，也需要让它实现克隆的功能，产品对象实现的是一个浅度克隆。先来定义产品的原型接口，示例代码如下：
/**
?* 声明一个克隆产品自身的接口
?*/
public interface ProductPrototype {
??? /**
??? ?* 克隆产品自身的方法
??? ?* @return 一个从自身克隆出来的产品对象
??? ?*/
??? public ProductPrototype cloneProduct();
}
接下来看看具体的产品对象实现，示例代码如下：
/**
?* 产品对象
?*/
public class Product implements ProductPrototype{
??? /**
??? ?* 产品编号
??? ?*/
??? private String productId;??
??? /**
??? ?* 产品名称
??? ?*/
??? private String name;
??? public String getName() {
?????? return name;
??? }
??? public void setName(String name) {
?????? this.name = name;
??? }
??? public String getProductId() {
?????? return productId;
??? }
??? public void setProductId(String productId) {
?????? this.productId = productId;
??? }
??? public String toString(){
?????? return "产品编号="+this.productId+"，产品名称="+this.name;
??? }
????public?ProductPrototype cloneProduct() {
?????? //创建一个新的订单，然后把本实例的数据复制过去
?????? Product product = new Product();
?????? product.setProductId(this.productId);
?????? product.setName(this.name);????
?????? return product;
??? }
}
（2）订单的具体实现上也需要改变一下，需要在其属性上添加一个产品类型的属性，然后也需要实现克隆方法，示例代码如下：
public class PersonalOrder implements OrderApi{
??? private String customerName;
private int orderProductNum = 0;
??? /**
??? ?* 产品对象
??? ?*/
????private?Product product = null;
??? public int getOrderProductNum() {
?????? return this.orderProductNum;
??? }??
??? public void setOrderProductNum(int num) {
?????? this.orderProductNum = num;
??? }??
??? public String getCustomerName() {
?????? return customerName;
??? }
??? public void setCustomerName(String customerName) {
?????? this.customerName = customerName;
??? }
??? public Product getProduct() {
?????? return product;
??? }
??? public void setProduct(Product product) {
?????? this.product = product;
??? }??
??? public String toString(){
?????? //简单点输出
?????? return "订购产品是="+this.product.getName()
+"，订购数量为="+this.orderProductNum;
??? }
????public?OrderApi cloneOrder() {
?????? //创建一个新的订单，然后把本实例的数据复制过去
?????? PersonalOrder order = new PersonalOrder();
?????? order.setCustomerName(this.customerName);
?????? order.setOrderProductNum(this.orderProductNum);
?????? //对于对象类型的数据，深度克隆的时候需要继续调用这个对象的克隆方法
?????? order.setProduct((Product)this.product.cloneProduct());
?????? return order;
??? }
?
?
}
（3）写个客户端来测试看看，是否深度克隆成功，示例代码如下：
public class Client {
??? public static void main(String[] args) {
?????? //先创建原型实例
?????? PersonalOrder oa1 = new PersonalOrder();
?????? //设置原型实例的值
?????? Product product = new Product();
?????? product.setName("产品1");
?????? oa1.setProduct(product);
?????? oa1.setOrderProductNum(100);
?
??? ??? System.out.println("这是第一次获取的对象实例="+oa1);
?
?????? //通过克隆来获取新的实例
??? ??? PersonalOrder oa2 = (PersonalOrder)oa1.cloneOrder();
?????? //修改它的值
??? ??? oa2.getProduct().setName("产品2");
?????? oa2.setOrderProductNum(80);
?????? //输出克隆出来的对象的值
?????? System.out.println("输出克隆出来的实例="+oa2);
?
?????? //再次输出原型实例的值
?????? System.out.println("再次输出原型实例="+oa1);
??? }
}
（4）运行结果如下，很明显，我们自己做的深度克隆是成功的：
这是第一次获取的对象实例=订购产品是=产品1，订购数量为=100
输出克隆出来的实例=订购产品是=产品2，订购数量为=80
再次输出原型实例=订购产品是=产品1，订购数量为=100
（5）小结
看来自己实现深度克隆也不是很复杂，但是比较麻烦，如果产品类里面又有属性是引用类型的话，在产品类实现克隆方法的时候，又需要调用那个引用类型的克隆方法了，这样一层一层调下去，如果中途有任何一个对象没有正确实现深度克隆，那将会引起错误，这也是深度克隆容易出错的原因。
2：Java中的深度克隆
利用Java中的clone方法来实现深度克隆，大体上和自己做差不多，但是也有一些需要注意的地方，一起看看吧。
（1）产品类没有太大的不同，主要是把实现的接口变成了Cloneable，这样一来，实现克隆的方法就不是cloneProduct，而是变成clone方法了；另外一个是克隆方法的实现变成了使用“super.clone();”了，示例代码如下：
public class Product?implements?Cloneable{
??? private String productId;??
??? private String name;
??? public String getName() {
?????? return name;
??? }
??? public void setName(String name) {
?????? this.name = name;
??? }
??? public String getProductId() {
?????? return productId;
??? }
??? public void setProductId(String productId) {
?????? this.productId = productId;
??? }
??? public String toString(){
?????? return "产品编号="+this.productId+"，产品名称="+this.name;
??? }
????public?Object clone() {
?????? Object obj = null;
?????? try {
?????????? obj = super.clone();
?????? } catch (CloneNotSupportedException e) {
?????????? e.printStackTrace();
?????? }
?????? return obj;
??? }??
}
（2）具体的订单实现类，除了改变接口外，更重要的是在实现clone方法的时候，除了调用“super.clone();”外，必须显示的调用引用类型属性的clone方法，也就是产品的clone方法，示例代码如下：
public class PersonalOrder?implements?Cloneable?, OrderApi{
??? private String customerName;
??? private Product product = null;
??? private int orderProductNum = 0;??
??? public int getOrderProductNum() {
?????? return this.orderProductNum;
??? }??
??? public void setOrderProductNum(int num) {
?????? this.orderProductNum = num;
??? }??
??? public String getCustomerName() {
?????? return customerName;
??? }
??? public void setCustomerName(String customerName) {
?????? this.customerName = customerName;
??? }
??? public Product getProduct() {
?????? return product;
??? }
??? public void setProduct(Product product) {
?????? this.product = product;
??? }??
??? public String toString(){
?????? //简单点输出
?????? return "订购产品是="+this.product.getName()
+"，订购数量为="+this.orderProductNum;
??? }
??? public Object clone(){
?????? PersonalOrder obj=null;
?????? try {
???????????obj =(PersonalOrder)super.clone();
?????????? //下面这一句话不可少
?????????? obj.setProduct(
(Product)this.product.clone());
?????? } catch (CloneNotSupportedException e) {
?????????? e.printStackTrace();
?????? }?????
?????? return obj;
??? }
}
（3）特别强调：
不可缺少“obj.setProduct((Product)this.product.clone());”这句话。为什么呢？
原因在于调用super.clone()方法的时候，Java是先开辟一块内存的空间，然后把实例对象的值原样拷贝过去，对于基本数据类型这样做是没有问题的，而属性product是一个引用类型，把值拷贝过去的意思就是把对应的内存地址拷贝过去了，也就是说克隆后的对象实例的product和原型对象实例的product指向的是同一块内存空间，是同一个产品实例。
?????? 因此要想正确的执行深度拷贝，必须手工的对每一个引用类型的属性进行克隆，并重新设置，覆盖掉super.clone()所拷贝的值。
（4）客户端测试类跟刚才自己做的深度拷贝差不多，只是调用克隆的方法，原来是调用的cloneOrder方法，现在变成调用clone()。运行测试看看，运行结果如下：
这是第一次获取的对象实例=订购产品是=产品1，订购数量为=100
输出克隆出来的实例=订购产品是=产品2，订购数量为=80
再次输出原型实例=订购产品是=产品1，订购数量为=100
注意观察上面的数据，很明显这是正确的，修改克隆出来的实例的属性值，不会影响到原对象实例的属性的值。
（5）下面去掉“obj.setProduct((Product)this.product.clone());”这句话，看看会发生什么，运行结果如下：
这是第一次获取的对象实例=订购产品是=产品1，订购数量为=100
输出克隆出来的实例=订购产品是=产品2，订购数量为=80
再次输出原型实例=订购产品是=产品2，订购数量为=100
仔细观察一下，尤其是加粗的两行，你就会发现，修改克隆对象实例的产品名称属性的值，影响了原型对象实例的值，这说明没有正确深度克隆。
?????? 如果一个系统中原型的数目不固定，比如系统中的原型可以被动态的创建和销毁，那么就需要在系统中维护一个当前可用的原型的注册表，这个注册表就被称为原型管理器。
?????? 其实如果把原型当成一个资源的话，原型管理器就相当于一个资源管理器，在系统开始运行的时候初始化，然后运行期间可以动态的添加资源和销毁资源。从这个角度看，原型管理器就可以相当于一个缓存资源的实现，只不过里面缓存和管理的是原型实例而已。
?????? 有了原型管理器过后，一般情况下，除了向原型管理器里面添加原型对象的时候是通过new来创造的对象，其余时候都是通过向原型管理器来请求原型实例，然后通过克隆方法来获取新的对象实例，这就可以实现动态管理、或者动态切换具体的实现对象实例。
?????? 还是通过示例来说明，如何实现原型管理器。
（1）先定义原型的接口，非常简单，除了克隆方法，提供一个名称的属性，示例代码如下：
public interface Prototype {
??? public Prototype clone();
??? public String getName();
??? public void setName(String name);
}
（2）再来看看两个具体的实现，实现方式基本上是一样的，分别看看。先看第一个原型的实现，示例代码如下：
public class ConcretePrototype1 implements Prototype {
??? private String name;
??? public String getName() {
?????? return name;
??? }
??? public void setName(String name) {
?????? this.name = name;
??? }
????public?Prototype clone() {
?????? ConcretePrototype1 prototype = new ConcretePrototype1();
?????? prototype.setName(this.name);
?????? return prototype;
??? }
??? public String toString(){
?????? return "Now in Prototype1，name="+name;
??? }
}
?????? 再看看第二个原型的实现，示例代码如下：
public class ConcretePrototype2 implements Prototype {
??? private String name;
??? public String getName() {
?????? return name;
??? }
??? public void setName(String name) {
?????? this.name = name;
??? }
????public?Prototype clone() {
?????? ConcretePrototype2 prototype = new ConcretePrototype2();
?????? prototype.setName(this.name);
?????? return prototype;
??? }??
??? public String toString(){
?????? return "Now in Prototype2，name="+name;
??? }
}
（3）接下来看看原型管理器的实现示意，示例代码如下：
/**
?* 原型管理器
?*/
public class PrototypeManager {
??? /**
??? ?* 用来记录原型的编号和原型实例的对应关系
??? ?*/
??? private static Map<String,Prototype>?map?=
new HashMap<String,Prototype>();
??? /**
??? ?* 私有化构造方法，避免外部无谓的创建实例
??? ?*/
??? private PrototypeManager(){
?????? //
??? }
??? /**
??? ?* 向原型管理器里面添加或是修改某个原型注册
??? ?* @param prototypeId 原型编号
??? ?* @param prototype 原型实例
??? ?*/
??? public synchronized static void setPrototype(
String prototypeId,Prototype prototype){
???????map.put(prototypeId, prototype);
??? }
??? /**
??? ?* 从原型管理器里面删除某个原型注册
??? ?* @param prototypeId 原型编号
??? ?*/
??? public synchronized static void removePrototype(
String prototypeId){
???????map.remove(prototypeId);
??? }
??? /**
??? ?* 获取某个原型编号对应的原型实例
??? ?* @param prototypeId 原型编号
??? ?* @return 原型编号对应的原型实例
??? ?* @throws Exception 如果原型编号对应的原型实例不存在，报出例外
??? ?*/
??? public synchronized static Prototype getPrototype(
String prototypeId)throws Exception{
?????? Prototype prototype =?map.get(prototypeId);
?????? if(prototype == null){
?????????? throw new Exception("您希望获取的原型还没有注册或已被销毁");
?????? }
?????? return prototype;
??? }
}
?????? 大家会发现，原型管理器是类似一个工具类的实现方式，而且对外的几个方法都是加了同步的，这主要是因为如果在多线程环境下使用这个原型管理器的话，那个map属性很明显就成了大家竞争的资源，因此需要加上同步。
（4）接下来看看客户端，如何使用这个原型管理器，示例代码如下：
public class Client {
??? public static void main(String[] args) {
?????? try {
?????????? // 初始化原型管理器
?????????? Prototype p1 = new ConcretePrototype1();
?????????? PrototypeManager.setPrototype("Prototype1", p1);
?
?????????? // 获取原型来创建对象
?????????? Prototype p3 = PrototypeManager
.getPrototype("Prototype1").clone();
?????????? p3.setName("张三");
?????????? System.out.println("第一个实例：" + p3);
?
?????????? // 有人动态的切换了实现
?????????? Prototype p2 = new ConcretePrototype2();
?????????? PrototypeManager.setPrototype("Prototype1", p2);
?
?????????? // 重新获取原型来创建对象
?????????? Prototype p4 = PrototypeManager
.getPrototype("Prototype1").clone();
?????????? p4.setName("李四");
?????????? System.out.println("第二个实例：" + p4);
?
?????????? // 有人注销了这个原型
?????????? PrototypeManager.removePrototype("Prototype1");
?
?????????? // 再次获取原型来创建对象
?????????? Prototype p5 = PrototypeManager
.getPrototype("Prototype1").clone();
?????????? p5.setName("王五");
?????????? System.out.println("第三个实例：" + p5);
?????? } catch (Exception err) {
?????????? System.err.println(err.getMessage());
?????? }
??? }
}
运行一下，看看结果，结果示例如下：
第一个实例：Now in Prototype1，name=张三
第二个实例：Now in Prototype2，name=李四
您希望获取的原型还没有注册或已被销毁
l????????? 对客户端隐藏具体的实现类型
??? 原型模式的客户端，只知道原型接口的类型，并不知道具体的实现类型，从而减少了客户端对这些具体实现类型的依赖。
l????????? 在运行时动态改变具体的实现类型
??? 原型模式可以在运行期间，由客户来注册符合原型接口的实现类型，也可以动态的改变具体的实现类型，看起来接口没有任何变化，但其实运行的已经是另外一个类实例了。因为克隆一个原型就类似于实例化一个类。
l????????? 深度克隆方法实现会比较困难
??? 原型模式最大的缺点就在于每个原型的子类都必须实现clone的操作，尤其在包含引用类型的对象时，clone方法会比较麻烦，必须要能够递归的让所有的相关对象都要正确的实现克隆。
1：原型模式的本质
原型模式的本质：克隆生成对象。
克隆是手段，目的还是生成新的对象实例。正是因为原型的目的是为了生成新的对象实例，原型模式通常是被归类为创建型的模式。
原型模式也可以用来解决“只知接口而不知实现的问题”，使用原型模式，可以出现一种独特的“接口造接口”的景象，这在面向接口编程中很有用。同样的功能也可以考虑使用工厂来实现。
另外，原型模式的重心还是在创建新的对象实例，至于创建出来的对象，其属性的值是否一定要和原型对象属性的值完全一样，这个并没有强制规定，只不过在目前大多数实现中，克隆出来的对象和原型对象的属性值是一样的。
也就是说，可以通过克隆来创造值不一样的实例，但是对象类型必须一样。可以有部分甚至是全部的属性的值不一样，可以有选择性的克隆，就当是标准原型模式的一个变形使用吧。
2：何时选用原型模式
建议在如下情况中，选用原型模式：
l??????????原型模式和抽象工厂模式
????功能上有些相似，都是用来获取一个新的对象实例的。
??? 不同之处在于，原型模式的着眼点是在如何创造出实例对象来，最后选择的方案是通过克隆；而抽象工厂模式的着眼点则在于如何来创造产品簇，至于具体如何创建出产品簇中的每个对象实例，抽象工厂模式不是很关注。
??? 正是因为它们的关注点不一样，所以它们也可以配合使用，比如在抽象工厂模式里面，具体创建每一种产品的时候就可以使用该种产品的原型，也就是抽象工厂管产品簇，具体的每种产品怎么创建则可以选择原型模式。
l??????????原型模式和生成器模式
????这两种模式可以配合使用。
??? 生成器模式关注的是构建的过程，而在构建的过程中，很可能需要某个部件的实例，那么很自然地就可以应用上原型模式，通过原型模式来得到部件的实例。
?
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