Java 设计模式之原型模式（五）

一、前言

本篇介绍 Java 设计模式中创建型模式的最后一种--原型模式。上篇设计模式主题为《Java 设计模式之建造者模式（四）》

二、简单介绍

原型模式是一种对象创建型模式，它采取复制原型对象的方法来创建对象的实例。使用原型模式创建的实例，具有与原型一样的数据。

2.1 特点

由原型对象自身创建目标对象。即对象创建这一动作发自原型对象本身。
目标对象是原型对象的一个克隆。即通过原型模式创建的对象，不仅仅与原型对象具有相同的结构，还与原型对象具有相同的值。
根据对象克隆深度层次的不同，有浅度克隆与深度克隆。

2.2 应用场景

在创建对象的时候，我们不只是希望被创建的对象继承其父类的基本结构，还希望继承原型对象的数据。
希望对目标对象的修改不影响既有的原型对象（深度克隆的时候可以完全互不影响）。
隐藏克隆操作的细节。很多时候，对对象本身的克隆需要涉及到类本身的数据细节。

三、实现方式

我们以克隆羊为例，实现类需要实现 Cloneable 接口，同时要重写从 Object 类中继承的 clone 方法：

public class Sheep implements Cloneable{

    private String name;
    
    private Date birthday;

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public Date getBirthday() {
        return birthday;
    }

    public void setBirthday(Date birthday) {
        this.birthday = birthday;
    }

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

客户端：

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

        Date date = new Date(1365215478956L);

        Sheep sheep = new Sheep();
        sheep.setName("多利");
        sheep.setBirthday(date);

        Sheep clone = (Sheep) sheep.clone();
        System.out.println("克隆羊名字：" + clone.getName());
        System.out.println("克隆羊生日：" + clone.getBirthday());
    }
}

结果：

1 2	克隆羊名字：多利克隆羊生日：Sat Apr 06 10:31:18 CST 2013

当我们需要更多的羊时，只需调用第一只羊的 clone 方法即可，省去了给新建的对象设置属性的操作。

不过，上边的克隆方式属于浅度克隆，当对象中包含引用类型的属性时，这样浅克隆方式会存在一个问题。我们试着修改 date 的值：

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

        Date date = new Date(1365215478956L);

        Sheep sheep = new Sheep();
        sheep.setName("多利");
        sheep.setBirthday(date);

        Sheep clone = (Sheep) sheep.clone();
        System.out.println("克隆羊名字：" + clone.getName());
        System.out.println("克隆羊生日：" + clone.getBirthday());

        System.out.println("--------------------------------");
        // 修改本体羊生日
        date.setTime(3246584261356L);
        System.out.println("本体羊生日：" + sheep.getBirthday());
        System.out.println("克隆羊生日：" + clone.getBirthday());

    }
}

结果打印：

克隆羊名字：多利
克隆羊生日：Sat Apr 06 10:31:18 CST 2013
--------------------------------
本体羊生日：Thu Nov 17 12:57:41 CST 2072
克隆羊生日：Thu Nov 17 12:57:41 CST 2072

我们修改本体羊的日期，结果克隆羊的日期也发生变化。

因为浅度克隆只对基本数据类型的值进行备份，而引用类型的数据只是拷贝了指向对象的引用而已。其内存表现形式如下图：

从图中可知，两只羊共用一个日期对象。因此，当我们修改日期时，两只羊的日期也发生变化。

为了解决这一个问题，我们可以使用深度克隆方式，有 2 种方式可以实现深度克隆。

方式一：在 clone 方法中将所有引用类型数据进行克隆。

实体类：

@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    Object obj = super.clone();
    Sheep sheep = (Sheep) obj;
    // 克隆时间
    sheep.birthday = (Date) this.birthday.clone();
    
    return sheep;
}

在实体类的 clone 方法中，将引用类型的数据一起克隆。

在运行客户端代码时，结果如下：

克隆羊名字：多利
克隆羊生日：Sat Apr 06 10:31:18 CST 2013
--------------------------------
本体羊生日：Thu Nov 17 12:57:41 CST 2072
克隆羊生日：Sat Apr 06 10:31:18 CST 2013

方式二：使用序列化和反序列化进行克隆

因为所有序列化方式，因此实体必须实现 Serializable 接口。

实体类：

1
2
3

public class Sheep implements Cloneable,Serializable{
...
}

客户端：

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException,ClassNotFoundException, IOException {
        Date date = new Date(1365215478956L);

        Sheep sheep = new Sheep();
        sheep.setName("多利");
        sheep.setBirthday(date);

        //通过序列化和反序列化进行克隆
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(sheep);

        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        Sheep clone = (Sheep) ois.readObject();
        
        System.out.println("克隆羊名字：" + clone.getName());
        System.out.println("克隆羊生日：" + clone.getBirthday());

        System.out.println("--------------------------------");
        // 修改本体羊生日
        date.setTime(3246584261356L);
        System.out.println("本体羊生日：" + sheep.getBirthday());
        System.out.println("克隆羊生日：" + clone.getBirthday());
    }
}

打印结果与方式一的结果一致。

深度克隆的内存表现形式如下图：

四、性能比较

使用原型模式创建对象并不会调用类的构造方法。因此，在构造函数调用长且需要重复创建该类的实例的情况下，使用原型模式创建对象的优势就体现出来了。

实体类：

public class Sheep implements Cloneable{

    private String name;
    
    private Date birthday;
    
    public Sheep() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public Date getBirthday() {
        return birthday;
    }

    public void setBirthday(Date birthday) {
        this.birthday = birthday;
    }

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

延迟构造器调用的时间。

客户端：

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

        Sheep sheep = new Sheep();
        int num = 1000;

        long t1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            Sheep tmp = new Sheep();
        }
        System.out.println("new 方式耗时：" + (System.currentTimeMillis() - t1) + "ms");
        
        long t2 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            Sheep tmp = (Sheep) sheep.clone();
        }
        System.out.println("克隆方式耗时：" + (System.currentTimeMillis() - t2) + "ms");
        
    }
}

结果：

1 2	new 方式耗时：10298ms 克隆方式耗时：1ms