克隆羊多利之原型模式

2020 年 5 月 29 日
筆記
原型模式, 設計模式

今天就不想開頭了，直接來吧。如果想要創建幾個和某對象一模一樣的新對象，我們很容易想到new對象，在構造器裡面進行複製即可。但是今天就看一個新模式，原型模式。

創建對象的正常方法（蠢方法）

背景

新建一個Sheep類，並在客戶端Client裡面創建一個sheep對象，那我們還想要多添加幾個克隆羊，即和sheep對象一模一樣的幾個對象。我們很容易想到的是，直接new方法，再通過構造方法，將sheep裡面的幾個參數進行賦值，具體程式碼如下。

程式碼

Sheep類：

public class Sheep   {
    private String name;
    private int age;
    private String color;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", color='" + color + '\'' +
                '}';
    }

}

Client類：

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");

        Sheep sheep1=new Sheep(sheep.getName(),sheep.getAge(),sheep.getColor());
        Sheep sheep2=new Sheep(sheep.getName(),sheep.getAge(),sheep.getColor());

        System.out.println(sheep1.toString());
        System.out.println(sheep2.toString());
        System.out.println(sheep.hashCode()+","+sheep1.hashCode()+","+sheep2.hashCode());
    }
}

運行結果：

優點

比較好理解，簡單易操作，傻白甜操作。

缺點

1.在創建新的對象時，總是需要獲取原始對象的值，如果創建的對象比較複雜，效率較低。

2.總是需要重新初始化對象，而不是動態的獲取對象運行時的狀態，不夠靈活

引入原型模式

官方概念

用原型實例（原來的對象）來指定創建對象的種類，並且通過拷貝這些原型，創建新的對象。

白話文

就是通過一個舊對象，創建一個新對象，即克隆羊多利。打個比方，咱能單個複製多利身上的部位，然後拼起來，但是這種方法麻煩且低效，部位的增加可能導致越來越低能。我們也能通過某種方法，直接複製所有。某種方法映射到設計模式裡面就是原型模式。

創建對象的新方法（clone）

方法概念描述

原型類需要具備以下兩個條件：

實現Cloneable介面。在java語言有一個Cloneable介面，它的作用只有一個，就是在運行時通知虛擬機可以安全地在實現了此介面的類上使用clone方法。
重寫Object類中的clone方法。Java中，所有類的父類都是Object類，Object類中有一個clone方法，作用是返回對象的一個拷貝，但是其作用域protected類型的，一般的類無法調用，因此，原型類需要將clone方法的作用域修改為public類型。

程式碼

Sheep類:（與之前的Sheep區別就是實現了Cloneable介面及重寫了clone方法）

public class Sheep implements Cloneable   {
    private String name;
    private int age;
    private String color;

    public Sheep(String name, int age, String color) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", color='" + color + '\'' +
                '}';
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Sheep otherSheep=(Sheep)super.clone();
        return otherSheep;
    }
}

Client類：

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色");

        Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();
        System.out.println(sheep.toString());
        System.out.println(sheep1.toString());
        System.out.println(sheep.hashCode()+","+sheep1.hashCode());
    }
}

運行結果：

插曲（為什麼要實現Cloneable介面，可不可以不實現？）

在上面的方法描述中我們可以知道了要實現Cloneable介面，但是我們看看如果不實現，有什麼問題？

Sheep類：

public class Sheep{
    private String name;
    private int age;
    private String color;

   //構造器，setter/getter，toString就先略去了，看重點

    @Override
    protected Object clone() {
        Sheep otherSheep=null;
        try{
             otherSheep=(Sheep)super.clone();
            return otherSheep;
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return  otherSheep;
    }
}

test類一樣，我就不貼了，直接來看運行結果：

我們可以看到直接拋出了異常，這是因為如果對象的類不支援Cloneable介面，重寫clone方法的子類也可以引發此異常以指示無法克隆實例。所以啊，都要寫，不要偷懶。

淺拷貝

舉個例子，如果羊對象裡面有個house這種的複雜對象，我們看能不能拷貝成功。

Sheep類：

public class Sheep implements Cloneable{
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private House house;

    public Sheep(String name, int age, String color,House house) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.color = color;
        this.house=house;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    public House getHouse() {
        return house;
    }

    public void setHouse(House house) {
        this.house = house;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Sheep{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", color='" + color + '\'' +
                ", house=" + house +
                '}';
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
       return super.clone();
    }
}

House類：

public class House implements Cloneable {
    private String name;
    private String address;

    public House(String name, String address) {
        this.name = name;
        this.address = address;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public void setAddress(String address) {
        this.address = address;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

Client類：

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        House house=new House("羊羊家","地球上");
        Sheep sheep = new Sheep("tom", 1, "白色",house);

        Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();

        System.out.println(sheep.getHouse().hashCode()+","+sheep1.getHouse().hashCode());
    }
}

運行結果：

我們可以看到兩個Sheep對象中house的hashCode並沒有變化，說明他們實際上指向的是同一片空間，即為淺拷貝，那我們之前的例子都是淺拷貝，因為Sheep對象中的各個屬性的hashCode是一樣的，他們指向的是同一片記憶體空間。那我們應該如何讓裡面對象的值也不一樣呢？那就是下面的深拷貝。

深拷貝（複雜對象）

方法一（使用自己子對象的clone方法）

Sheep類：（與之前的區別只是方法上的區別，所以就不貼重複程式碼啦）

  @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Sheep otherSheep=(Sheep) super.clone();

        otherSheep.setHouse((House)house.clone());
        return  otherSheep;
    }

方法二（序列化和反序列化）

public class Sheep implements Serializable, Cloneable {
    private String name;
    private int age;
    private String color;
    private House house;

 //setter/getter方法，構造器，toString方法都略去了

    public Object clone2() {
        Sheep sheep = null;

        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            //序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this);

            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            sheep = (Sheep) ois.readObject();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //關閉流
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return sheep;
    }
}

 public class House implements Serializable,Cloneable {
    private String name;
    private String address;

  //setter/getter方法，構造器，toString方法都略去了
}

優點

在記憶體中二進位流的拷貝，比直接new一個對象的性能要好，畢竟人家是native方法，可以直接操作記憶體，是親兒子。

缺點

沒錯，親兒子也有缺點。當處理簡單類的時候，他的性能還不如new，但當處理複雜類的時候，性能就比new高出一大截啦。

咱來試試，普通的House類，有兩個基本類型的參數，分別是name和address，我們看new和利用原型模式分別用了多少毫秒？

public class House implements Serializable,Cloneable {
    private String name;
    private String address;

    public House(String name, String address) {
        this.name = name;
        this.address = address;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public void setAddress(String address) {
        this.address = address;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        long startTime=System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<100000000;i++){
            new House("羊羊家","地球上");
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);

        startTime=System.currentTimeMillis();
        House house=new House("羊羊家","地球上");
        for(int i=0;i<100000000;i++){
            house.clone();
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()- startTime);
    }
}

運行結果：

從上圖我們可以看到採用new方法，只用了13毫秒，而採用原型模式，卻花了接近900毫秒，但是將House類的構造方法做一點點改變，我們就能發現差別，如下：

public class House implements Serializable,Cloneable {
    private String name;
    private String address;

    public House(String name, String address) {
        this.name = name.substring(1);
        this.address = address;

    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public void setAddress(String address) {
        this.address = address;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

運行結果：

從上述程式碼可以看到，採用原型模式的時間比new方法的時間少了一半左右。

結語

原型模式屬於創建型模式，能產生新的對象。

其對複製功能進行優化，採用Java提供的native方法clone，前提是實現cloneable介面。

使用默認的clone方法，是淺拷貝，只是複製值，實際上地址並沒有變化。如果想要深拷貝，可以重寫clone方法或採用序列化和反序列化。

Tags: 原型模式設計模式