初識設計模式 – 原型模式
簡介
對於大部分系統來說，創建對象包括申請記憶體、給成員變數賦值等過程，這些操作耗費的時間基本可以忽略不計。
如果對象中的數據需要經過複雜的計算才能得到（比如排序、計算哈希值），或者需要從 RPC、網路、資料庫、文件系統等非常慢速的 IO 中讀取，這其中耗費的時間有時是無法容忍的。
如果對象的創建成本比較大，而同一個類的不同對象之間差別不大（如大部分欄位都相同），在這種情況下，可以利用對已有對象（原型）進行複製的方式來創建新對象，以達到節省創建時間的目的。
這種基於原型來創建對象的方式就叫作原型設計模式（Prototype Design Pattern）。
具體實現
原型模式其核心就是拷貝，而在程式語言中，拷貝有兩種實現方式：深拷貝和淺拷貝。
淺拷貝
淺拷貝只會複製對象中基本數據類型和引用對象的記憶體地址，不會遞歸地複製引用對象，以及引用對象的引用對象……
對於淺拷貝來說，如果要拷貝的對象是不可變對象，淺拷貝共享不可變對象是沒問題的，但是對於可變對象來說，淺拷貝得到的對象和原始對象會共享部分數據，就有可能出現數據被修改的風險。
深拷貝
和淺拷貝不同，深拷貝得到的是一份完完全全獨立的對象，相比淺拷貝，深拷貝更加耗時、更加耗記憶體空間。
常見的深拷貝有兩種實現方式：遞歸淺拷貝對象直到只包含基本數據類型數據；序列化對象再反序列化成新的對象。實際開發中更推薦使用後者。
遞歸淺拷貝的 Java 程式碼示例如下：
public class DeepProtoType implements Cloneable {
// String 類型
public String name;
// 引用數據類型
public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;
public DeepProtoType() {
super();
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
Object deep = null;
// 這裡完成對基本數據類型（屬性）和 String 類型的拷貝
deep = super.clone();
// 對引用數據類型的屬性進行單獨處理，如果有多屬性，需要一一處理
DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
deepProtoType.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();
return deepProtoType;
}
}
序列化對象的程式碼示例如下：
public class DeepProtoType implements Serializable {
// String 類型
public String name;
// 引用數據類型
public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;
public DeepProtoType() {
super();
}
public Object deepClone() {
// 創建流對象
ByteArrayOutputStream bos = null;
ObjectOutputStream oos = null;
ByteArrayInputStream bis = null;
ObjectInputStream ois = null;
try {
// 序列化
bos = new ByteArrayOutputStream();
oos = new ObjectOutputStream(bos);
// 當前這個對象以對象流的方式輸出
oos.writeObject(this);
// 反序列化
bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ois = new ObjectInputStream(bis);
DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType) ois.writeObject();
return deepProtoType;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
} finally {
try {
bos.close();
oos.close();
bis.close();
ois.close();
} catch (Exception e2) {
System.out.println(e2.getMessage());
}
}
}
}
總結
優點
原型模式的主要優點如下：
- 當創建新的對象實例較為複雜時，使用原型模式可以簡化對象的創建過程，通過複製一個已有實例可以提高新實例的創建效率
- 可以使用深拷貝方式保存對象的狀態，使用原型模式將對象複製一份，並將其狀態保存起來
- 原型模式提供了簡化的創建結構
缺點
原型模式的主要缺點如下：
- 需要為每一個類都配置一個拷貝方法
- 拷貝方法位於類的內部，當對已有類進行改造的時候，需要修改程式碼，違背了開閉原則
- 當實現深拷貝的時候，需要編寫較為複雜的程式碼，而且當對象之間存在多重嵌套引用時，為了實現深拷貝，每一層對象對應的類都必須支援深拷貝
適用場景
原型模式的適用場景如下：
- 創建對象的成本較大，比如初始化時間長，佔用 CPU 太多，或者佔用網路資源太多等
- 如果系統要保存對象的狀態，而對象的狀態變化很小，或者對象本身佔用記憶體較小時，可以使用原型模式配合備忘錄模式來實現
- 如果產生一個對象需要非常繁瑣的數據準備和訪問許可權，需要提高許可權或提高安全性
源碼
在 JDK 中，對自定義的類重寫 clone() 方法就是典型的原型模式。
