原型模式

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stormjie 8月 20, 2018
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在开发过程中,有时会遇到为一个类创建多个实例的情况,这些实例内部成员往往完全相同或有细微的差异,而且实例的创建开销比较大或者需要输入较多参数,如果能通过复制一个已创建的对象实例来重复创建多个相同的对象,这就可以大大减少创建对象的开销,这个时候就需要原型模式。

一、原型模式概述

在使用原型模式时,我们需要首先创建一个原型对象,再通过复制这个原型对象来创建更多同类型的对象。原型模式的定义如下:

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。

原型模式的结构如图所示:

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。

原型模式的核心在于如何实现克隆方法,下面将介绍两种在Java语言中常用的克隆实现方法:

1.通用实现方法

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:

//接口Prototype不写了,它声明了个clone()方法
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;
    }

    //实现父接口Prototype方法
    public Prototype clone() {

        Prototype prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象

        prototype.setAttr(this.attr);

        return prototype;
    }
}

在客户类中我们只需要创建一个ConcretePrototype对象作为原型对象,然后调用其clone()方法即可得到对应的克隆对象,如下代码所示:

Prototype obj1 = new ConcretePrototype();

obj1.setAttr("Sunny");

Prototype obj2 = obj1.clone();

这种方法可作为原型模式的通用实现,它与编程语言特性无关,任何面向对象语言都可以使用这种形式来实现对原型的克隆。

2.Java语言提供的clone()方法

学过Java语言的人都知道,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。

需要注意的是能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable,表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法,Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。如下代码所示:

class ConcretePrototype implements Cloneable {

    ……
    public Prototype clone() {

        Object object = null;

        try {
            object = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException exception) {
            System.err.println("Not support cloneable");
        }
        return (Prototype)object;
        }
    ……
}

在客户端创建原型对象和克隆对象也很简单,如下代码所示:

Prototype obj1 = new ConcretePrototype();

Prototype obj2 = obj1.clone();

一般而言,Java语言中的clone()方法满足:

(1)对任何对象x,都有x.clone() != x,即克隆对象与原型对象不是同一个对象;

(2)对任何对象x,都有x.clone().getClass() == x.getClass(),即克隆对象与原型对象的类型一样;

(3)如果对象x的equals()方法定义恰当,那么x.clone().equals(x)应该成立。

为了获取对象的一份拷贝,我们可以直接利用Object类的clone()方法,具体步骤如下:

(1)在派生类中覆盖基类的clone()方法,并声明为public;

(2)在派生类的clone()方法中,调用super.clone();

(3)派生类需实现Cloneable接口。

此时,Object类相当于抽象原型类,所有实现了Cloneable接口的类相当于具体原型类。

二、浅克隆和深克隆

浅克隆和深克隆,在Java语言中,数据类型分为值类型(基本数据类型)和引用类型,值类型包括int、double、byte、boolean、char等简单数据类型,引用类型包括类、接口、数组等复杂类型。浅克隆和深克隆的主要区别在于是否支持引用类型的成员变量的复制,下面将对两者进行详细介绍。

1.浅克隆

在浅克隆中,如果原型对象的成员变量是值类型,将复制一份给克隆对象;如果原型对象的成员变量是引用类型,则将引用对象的地址复制一份给克隆对象,也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说,在浅克隆中,当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量,而引用类型的成员对象并没有复制。

在Java语言中,通过覆盖Object类的clone()方法可以实现浅克隆,即上述的第二种方法,下面举例

//普通Author类
public class Author {

    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

}
//Book类实现Cloneable接口
class Book implements Cloneable {

    private String title;
    //Author类成员变量
    private Author author;

    public Book clone() {
        Book book = null;
        try {
            book = (Book)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        return book;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    public Author getAuthor() {
        return author;
    }

    public void setAuthor(Author author) {
        this.author = author;
    }
}
//测试类
public class PrototypeTest {

    public static void main(String[] args) {
        Book book1 = new Book();
        Author author = new Author();
        author.setName("stormjie");
        book1.setAuthor(author);
        book1.setTitle("stormjie's blog");

        Book book2 = book1.clone();

        System.out.println(book1 == book2);  // false
        System.out.println(book1.getTitle() == book2.getTitle());  // true
        System.out.println(book1.getAuthor() == book2.getAuthor());  // true            
        }
}

由输出的结果可以验证说到的结论。由此我们发现:虽然克隆出来的对象重新在堆上开辟了内存空间,但是,对象中各属性确保持相等。对于基本数据类型很好理解,但对于引用数据类型来说,则意味着此引用类型的属性所指向的对象本身是相同的, 并没有重新开辟内存空间存储。换句话说,引用类型的属性所指向的对象并没有克隆。
由此,我们将其称之为浅克隆。当克隆后的对象的引用类型的属性所指向的对象也重新得以克隆,此时,称之为深克隆。

2.深克隆

在深克隆中,无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型,都将复制一份给克隆对象,深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说,在深克隆中,除了对象本身被复制外,对象所包含的所有成员变量也将复制。

在Java语言中,如果需要实现深克隆,可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程,写到流中的对象是原有对象的一个拷贝,而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身,而且可以复制其引用的成员对象,因此通过序列化将对象写到一个流中,再从流里将其读出来,可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口,否则无法实现序列化操作。 下面我们使用深克隆技术来实现上述Book对象和Author对象的复制,由于要将Book对象和Author对象都写入流中,因此两个类均需要实现Serializable接口。

class Author implements Serializable{

    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

}
class Book implements Serializable {

    private String title;
    private Author author;

    public Book deepClone() throws IOException,ClassNotFoundException {
        // 写入当前对象的二进制流 
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();  
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);  
        oos.writeObject(this);

        // 读出二进制流产生的新对象  
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());  
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);  
        return (Book)ois.readObject();
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    public Author getAuthor() {
        return author;
    }

    public void setAuthor(Author author) {
        this.author = author;
    }
}
//测试类
public class PrototypeTest {

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException,IOException {
        Book book1 = new Book();
        Author author = new Author();
        author.setName("stormjie");
        book1.setAuthor(author);
        book1.setTitle("stormjie's blog");

        Book book2 = book1.deepClone();

        System.out.println(book1 == book2);  // false
        System.out.println(book1.getTitle() == book2.getTitle());  // true
        System.out.println(book1.getAuthor() == book2.getAuthor());  // false    
    }
}

从输出结果中可以看出,深克隆不仅在堆内存上开辟了空间以存储克隆出的对象,甚至连对象中的引用类型的属性所指向的对象也得以克隆,重新开辟了堆空间存储。深克隆技术实现了原型对象和克隆对象的完全独立,对任意克隆对象的修改都不会给其他对象产生影响,是一种更为理想的克隆实现方式。

扩展:Java语言提供的Cloneable接口和Serializable接口的代码非常简单,它们都是空接口,这种空接口也称为标识接口,标识接口中没有任何方法的定义,其作用是告诉JRE这些接口的实现类是否具有某个功能,如是否支持克隆、是否支持序列化等。

三、原型模式总结

原型模式的优点:

(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。

原型模式的缺点:

(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。

参考资料:《设计模式的艺术软件开发人员内功修炼之道》