原型模式

原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式之一。

这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。

概要

原型模式

意图：使用原型实例指定要创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象。

主要解决：在运行时动态建立和删除原型。

何时使用

  • 系统应独立于产品的创建、构成和表示。
  • 需要在运行时指定实例化的类，例如通过动态加载。
  • 避免创建与产品类层次平行的工厂类层次。
  • 类的实例只能有几种不同状态组合，克隆原型比手工实例化更方便。

如何解决

通过已有的一个原型对象，快速生成与原型对象相同的实例。

关键代码

  • 实现克隆操作：
    • 在 Java 中，实现 Cloneable 接口，重写 clone() 方法。
    • 在 .NET 中，使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法实现浅拷贝，或通过序列化实现深拷贝。
  • 隔离类对象的使用者和具体类型之间的耦合关系，要求"易变类"拥有稳定的接口。

应用实例

  • 细胞分裂
  • Java 中的 Object.clone() 方法

优点

  • 性能提高
  • 避免构造函数的约束

缺点

  • 配备克隆方法需要全面考虑类的功能，对已有类可能较难实现，特别是处理不支持串行化的间接对象或含有循环结构的引用时。
  • 必须实现 Cloneable 接口。

使用场景

  • 资源优化
  • 类初始化需要消耗大量资源（如数据、硬件资源）
  • 性能和安全要求高的场景
  • 通过 new 创建对象需要复杂的数据准备或访问权限时
  • 一个对象需要多个修改者
  • 对象需提供给其他对象访问并可能被各个调用者修改时
  • 通常与工厂方法模式一起使用，通过 clone 创建对象，然后由工厂方法提供给调用者

注意事项

与直接实例化类创建新对象不同，原型模式通过拷贝现有对象生成新对象。浅拷贝通过实现 Cloneable 实现，深拷贝通过实现 Serializable 读取二进制流实现。

结构

原型模式包含以下几个主要角色：

  • 原型接口（Prototype Interface）：定义一个用于克隆自身的接口，通常包括一个 clone() 方法。

  • 具体原型类（Concrete Prototype）：实现原型接口的具体类，负责实际的克隆操作。这个类需要实现 clone() 方法，通常使用浅拷贝或深拷贝来复制自身。

  • 客户端（Client）：使用原型实例来创建新的对象。客户端调用原型对象的 clone() 方法来创建新的对象，而不是直接使用构造函数。

实现

我们将创建一个抽象类 Shape 和扩展了 Shape 类的实体类。下一步是定义类 ShapeCache，该类把 shape 对象存储在一个 Hashtable 中，并在请求的时候返回它们的克隆。

PrototypePatternDemo 类使用 ShapeCache 类来获取 Shape 对象。

原型模式的 UML 图

步骤 1

创建一个实现了 Cloneable 接口的抽象类。

Shape.java

public abstract class Shape implements Cloneable { private String id; protected String type; abstract void draw(); public String getType(){ return type; } public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } public Object clone() { Object clone = null; try { clone = super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { e.printStackTrace(); } return clone; } }

步骤 2

创建扩展了上面抽象类的实体类。

Rectangle.java

public class Rectangle extends Shape { public Rectangle(){ type = "Rectangle"; } @Override public void draw() { System.out.println("Inside Rectangle::draw() method."); } }

Square.java

public class Square extends Shape { public Square(){ type = "Square"; } @Override public void draw() { System.out.println("Inside Square::draw() method."); } }

Circle.java

public class Circle extends Shape { public Circle(){ type = "Circle"; } @Override public void draw() { System.out.println("Inside Circle::draw() method."); } }

步骤 3

创建一个类，从数据库获取实体类，并把它们存储在一个 Hashtable 中。

ShapeCache.java

import java.util.Hashtable; public class ShapeCache { private static Hashtable<String, Shape> shapeMap = new Hashtable<String, Shape>(); public static Shape getShape(String shapeId) { Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId); return (Shape) cachedShape.clone(); } // 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状 // shapeMap.put(shapeKey, shape); // 例如，我们要添加三种形状 public static void loadCache() { Circle circle = new Circle(); circle.setId("1"); shapeMap.put(circle.getId(),circle); Square square = new Square(); square.setId("2"); shapeMap.put(square.getId(),square); Rectangle rectangle = new Rectangle(); rectangle.setId("3"); shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle); } }

步骤 4

PrototypePatternDemo 使用 ShapeCache 类来获取存储在 Hashtable 中的形状的克隆。

PrototypePatternDemo.java

public class PrototypePatternDemo { public static void main(String[] args) { ShapeCache.loadCache(); Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1"); System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType()); Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2"); System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType()); Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3"); System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType()); } }

步骤 5

执行程序，输出结果：

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle