设计模式系列—原型模式

开发 前端
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。

 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

  1. package com.niuh.designpattern.prototype; 
  2.  
  3. /** 
  4.  * 用户信息 
  5.  */ 
  6. public class User implements Cloneable { 
  7.  
  8.     // 基础数据类型 
  9.     private int id; 
  10.     private String name
  11.     private String sex; 
  12.     private String pwd; 
  13.  
  14.     // 引用数据类型 
  15.     private BaseInfo baseInfo; 
  16.  
  17.     public User(int id, String name, String sex, String pwd, BaseInfo baseInfo) { 
  18.         this.id = id; 
  19.         this.name = name
  20.         this.sex = sex; 
  21.         this.pwd = pwd; 
  22.         this.baseInfo = baseInfo; 
  23.     } 
  24.  
  25.     public int getId() { 
  26.         return id; 
  27.     } 
  28.  
  29.     public void setId(int id) { 
  30.         this.id = id; 
  31.     } 
  32.  
  33.     public String getName() { 
  34.         return name
  35.     } 
  36.  
  37.     public void setName(String name) { 
  38.         this.name = name
  39.     } 
  40.  
  41.     public String getSex() { 
  42.         return sex; 
  43.     } 
  44.  
  45.     public void setSex(String sex) { 
  46.         this.sex = sex; 
  47.     } 
  48.  
  49.     public String getPwd() { 
  50.         return pwd; 
  51.     } 
  52.  
  53.     public void setPwd(String pwd) { 
  54.         this.pwd = pwd; 
  55.     } 
  56.  
  57.     public BaseInfo getBaseInfo() { 
  58.         return baseInfo; 
  59.     } 
  60.  
  61.     public void setBaseInfo(BaseInfo baseInfo) { 
  62.         this.baseInfo = baseInfo; 
  63.     } 
  64.  
  65.     @Override 
  66.     public String toString() { 
  67.         return "hashCode: " + super.hashCode() + ", User{" + 
  68.                 "id=" + id + 
  69.                 ", name='" + name + '\'' + 
  70.                 ", sex='" + sex + '\'' + 
  71.                 ", pwd='" + pwd + '\'' + 
  72.                 ", baseInfo=" + baseInfo + 
  73.                 '}'
  74.     } 
  75.  
  76.     @Override 
  77.     protected User clone() throws CloneNotSupportedException { 
  78.         return (User) super.clone(); 
  79.     } 

  1. package com.niuh.designpattern.prototype; 
  2.  
  3. import java.util.Date
  4.  
  5. /** 
  6.  * 基础类 
  7.  */ 
  8. public class BaseInfo { 
  9.  
  10.     private String desc
  11.  
  12.     // ....... 
  13.  
  14.  
  15.     public BaseInfo(String desc) { 
  16.         this.desc = desc
  17.     } 
  18.  
  19.     public String getDesc() { 
  20.         return desc
  21.     } 
  22.  
  23.     public void setDesc(String desc) { 
  24.         this.desc = desc
  25.     } 
  26.  
  27.     @Override 
  28.     public String toString() { 
  29.         return "BaseInfo{" + 
  30.                 "desc=" + desc + 
  31.                 '}'
  32.     } 

  1. package com.niuh.designpattern.prototype; 
  2.  
  3.  
  4. /** 
  5.  * 原型设计模式 
  6.  */ 
  7. public class PrototypePattern { 
  8.     public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException { 
  9.  
  10.         BaseInfo baseInfo = new BaseInfo("张三"); 
  11.  
  12.         User user1 = new User(1, "张三""男""123456", baseInfo); 
  13.  
  14.         // new User  ...... 
  15.  
  16.         // 克隆机制 
  17.         User user2 = user1.clone(); 
  18.         user2.setId(2); 
  19.         user2.setName("李四"); 
  20.         BaseInfo baseInfo1 = user2.getBaseInfo(); 
  21.         baseInfo1.setDesc("李四"); 
  22.  
  23.  
  24.         System.out.println(user1); 
  25.         System.out.println(user2); 
  26.  
  27.     } 

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。

  1. package com.niuh.designpattern.prototype; 
  2.  
  3. import java.util.Date
  4.  
  5. /** 
  6.  * 基础类 
  7.  */ 
  8. public class BaseInfo implements Cloneable { 
  9.  
  10.     private String desc
  11.  
  12.     // ....... 
  13.  
  14.  
  15.     public BaseInfo(String desc) { 
  16.         this.desc = desc
  17.     } 
  18.  
  19.     public String getDesc() { 
  20.         return desc
  21.     } 
  22.  
  23.     public void setDesc(String desc) { 
  24.         this.desc = desc
  25.     } 
  26.  
  27.     @Override 
  28.     public String toString() { 
  29.         return "BaseInfo{" + 
  30.                 "desc=" + desc + 
  31.                 '}'
  32.     } 
  33.  
  34.     @Override 
  35.     protected BaseInfo clone() throws CloneNotSupportedException { 
  36.         //BaseInfo 如果也有引用类型的成员属性,也应该和 User 类一样实现 
  37.         return (BaseInfo) super.clone(); 
  38.     } 

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。

  1. package com.niuh.designpattern.prototype; 
  2.  
  3. /** 
  4.  * 用户信息 
  5.  */ 
  6. public class User implements Cloneable { 
  7.  
  8.     // 基础数据类型 
  9.     private int id; 
  10.     private String name
  11.     private String sex; 
  12.     private String pwd; 
  13.  
  14.     // 引用数据类型 
  15.     private BaseInfo baseInfo; 
  16.  
  17.     public User(int id, String name, String sex, String pwd, BaseInfo baseInfo) { 
  18.         this.id = id; 
  19.         this.name = name
  20.         this.sex = sex; 
  21.         this.pwd = pwd; 
  22.         this.baseInfo = baseInfo; 
  23.     } 
  24.  
  25.     public int getId() { 
  26.         return id; 
  27.     } 
  28.  
  29.     public void setId(int id) { 
  30.         this.id = id; 
  31.     } 
  32.  
  33.     public String getName() { 
  34.         return name
  35.     } 
  36.  
  37.     public void setName(String name) { 
  38.         this.name = name
  39.     } 
  40.  
  41.     public String getSex() { 
  42.         return sex; 
  43.     } 
  44.  
  45.     public void setSex(String sex) { 
  46.         this.sex = sex; 
  47.     } 
  48.  
  49.     public String getPwd() { 
  50.         return pwd; 
  51.     } 
  52.  
  53.     public void setPwd(String pwd) { 
  54.         this.pwd = pwd; 
  55.     } 
  56.  
  57.     public BaseInfo getBaseInfo() { 
  58.         return baseInfo; 
  59.     } 
  60.  
  61.     public void setBaseInfo(BaseInfo baseInfo) { 
  62.         this.baseInfo = baseInfo; 
  63.     } 
  64.  
  65.     @Override 
  66.     public String toString() { 
  67.         return "hashCode: " + super.hashCode() + ", User{" + 
  68.                 "id=" + id + 
  69.                 ", name='" + name + '\'' + 
  70.                 ", sex='" + sex + '\'' + 
  71.                 ", pwd='" + pwd + '\'' + 
  72.                 ", baseInfo=" + baseInfo + 
  73.                 '}'
  74.     } 
  75.  
  76.     @Override 
  77.     protected User clone() throws CloneNotSupportedException { 
  78.         // 深拷贝 
  79.         User user = (User) super.clone(); 
  80.         user.baseInfo = baseInfo.clone(); 
  81.         return user
  82.     } 

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。

  1. package com.niuh.designpattern.prototype; 
  2.  
  3. import java.io.ByteArrayInputStream; 
  4. import java.io.ByteArrayOutputStream; 
  5. import java.io.IOException; 
  6. import java.io.ObjectInputStream; 
  7. import java.io.ObjectOutputStream; 
  8. import java.io.Serializable
  9.  
  10. /** 
  11.  * 用户信息 
  12.  */ 
  13. public class User implements Cloneable , Serializable { 
  14.  
  15.     // 基础数据类型 
  16.     private int id; 
  17.     private String name
  18.     private String sex; 
  19.     private String pwd; 
  20.  
  21.     // 引用数据类型 
  22.     private BaseInfo baseInfo; 
  23.  
  24.     public User(int id, String name, String sex, String pwd, BaseInfo baseInfo) { 
  25.         this.id = id; 
  26.         this.name = name
  27.         this.sex = sex; 
  28.         this.pwd = pwd; 
  29.         this.baseInfo = baseInfo; 
  30.     } 
  31.  
  32.     public int getId() { 
  33.         return id; 
  34.     } 
  35.  
  36.     public void setId(int id) { 
  37.         this.id = id; 
  38.     } 
  39.  
  40.     public String getName() { 
  41.         return name
  42.     } 
  43.  
  44.     public void setName(String name) { 
  45.         this.name = name
  46.     } 
  47.  
  48.     public String getSex() { 
  49.         return sex; 
  50.     } 
  51.  
  52.     public void setSex(String sex) { 
  53.         this.sex = sex; 
  54.     } 
  55.  
  56.     public String getPwd() { 
  57.         return pwd; 
  58.     } 
  59.  
  60.     public void setPwd(String pwd) { 
  61.         this.pwd = pwd; 
  62.     } 
  63.  
  64.     public BaseInfo getBaseInfo() { 
  65.         return baseInfo; 
  66.     } 
  67.  
  68.     public void setBaseInfo(BaseInfo baseInfo) { 
  69.         this.baseInfo = baseInfo; 
  70.     } 
  71.  
  72.     @Override 
  73.     public String toString() { 
  74.         return "hashCode: " + super.hashCode() + ", User{" + 
  75.                 "id=" + id + 
  76.                 ", name='" + name + '\'' + 
  77.                 ", sex='" + sex + '\'' + 
  78.                 ", pwd='" + pwd + '\'' + 
  79.                 ", baseInfo=" + baseInfo + 
  80.                 '}'
  81.     } 
  82.  
  83.     @Override 
  84.     protected User clone() throws CloneNotSupportedException { 
  85.         // 深拷贝 
  86.         // User user = (User) super.clone(); 
  87.         // user.baseInfo = baseInfo.clone(); 
  88.         // return user
  89.  
  90.  
  91.         ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream(); 
  92.  
  93.         try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream)) { 
  94.  
  95.             oos.writeObject(this); 
  96.  
  97.         } catch (IOException e) { 
  98.             e.printStackTrace(); 
  99.         } 
  100.  
  101.         ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(byteArrayOutputStream.toByteArray()); 
  102.  
  103.         try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream)) { 
  104.             try { 
  105.                 User user = (User) ois.readObject(); 
  106.                 return user
  107.             } catch (ClassNotFoundException e) { 
  108.                 e.printStackTrace(); 
  109.             } 
  110.         } catch (IOException e) { 
  111.             e.printStackTrace(); 
  112.         } 
  113.         return null
  114.     } 

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

  1. #Spring  
  2. org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanDefinition 
  3. #JDK 
  4. java.util.Arrays 
  5. java.util.ArrayList 
  6. ...... 

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。
  1. @Override  
  2.   public Object clone() { 
  3.     try { 
  4.         ArrayList<?> result = (ArrayList<?>) super.clone(); 
  5.         result.array = array.clone(); 
  6.         return result; 
  7.     } catch (CloneNotSupportedException e) { 
  8.        throw new AssertionError(); 
  9.     } 

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。

  1. //添加两个元素 
  2. Student stJack=new Student("Jack", 13); 
  3. Student stTom=new Student("Tom", 15); 
  4. list.add(stJack); 
  5. list.add(stTom); 
  6.  
  7. //克隆 
  8. ArrayList<Student> listCopy=(ArrayList<Student>) list.clone(); 
  9.  
  10. //移除且不修改 
  11. listCopy.remove(1); 
  12. System.out.println(list); 
  13. System.out.println(listCopy); 

移除且不修改集合中的元素,只是在List内部的数组中移除了指向元素的地址,可以放心的使用clone。

PS:以上代码提交在 Github :https://github.com/Niuh-Study/niuh-designpatterns.git

责任编辑:姜华 来源: 今日头条
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原型模式序列化

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设计模式结构型接口

2022-01-12 13:33:25

工厂模式设计

2015-06-08 09:05:10

Java原型模式

2020-10-23 09:40:26

设计模式

2020-11-03 13:05:18

命令模式

2020-11-04 08:54:54

状态模式

2021-09-29 13:53:17

抽象工厂模式

2021-03-02 08:50:31

设计单例模式

2022-01-14 09:22:22

设计模式桥接

2021-06-09 08:53:34

设计模式策略模式工厂模式

2013-11-26 15:48:53

Android设计模式SDK

2020-10-19 09:28:00

抽象工厂模式

2020-08-03 08:24:26

原型模式拷贝

2021-10-26 00:21:19

设计模式建造者
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