我的Java设计模式-原型模式

“不好意思,我是卧底!哇哈哈哈~”额......自从写了上一篇的观察者模式,就一直沉浸在这个角色当中,无法自拨。昨晚在看《使徒行者2》,有一集说到啊炮仗哥印钞票,我去,这就是想印多少就印多少的节奏。

但是我觉得他们印钞票的方法太low了,就用那“哧咔,哧咔~”的老机器没日没夜的印,看着都着急。

这里我们可以用原型模式优化印钞票的致富之路,为什么,继续往下看......

一、原型模式

定义

  用原型实例指定所有创建对象的类型,并且通过复制这个拷贝创建新的对象。

特点

  1)必须存在一个现有的对象,也就是原型实例,通过原型实例创建新对象。

  2)在Java中,实现Cloneable,并且因为所有的类都继承Object类重写clone()方法来实现拷贝。

使用场景

  • 大量的对象,并且类初始化时消耗的资源多。没人会嫌钱多的吧,除了某云。
  • 这些钞票的信息属性基本一致,可以调整个别的属性。
  • 印钞票的工序非常复杂,需要进行繁琐的数据处理。

UML图

我的Java设计模式-原型模式

从上面的UML图可以看出,原型模式涉及到的角色有如下三个:

  - 客户端角色:负责创建对象的请求。

  - 抽象原型角色:该角色是一个抽象类或者是接口,提供拷贝的方法。

  - 具体原型角色:该角色是拷贝的对象,需要重写抽象原型的拷贝方法,实现浅拷贝或者深拷贝。

二、实战

一起来印钞票,钞票实例必须实现Cloneable接口,该接口只充当一个标记,然后重写clone方法,具体原型角色代码如下:

public class Money implements Cloneable {

    private int faceValue;

    private Area area;

    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }

    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }

    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }

    public Area getArea() {
        return area;
    }

    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }

    public String getUnit() {
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }

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

Area类代码如下:

public class Area {

    // 钞票单位
    private String unit;

    public String getUnit() {
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }

}

看看客户端如何实现钞票的拷贝,代码如下:

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");

        // 原型实例,100RMB的钞票
        Money money = new Money(100, area);

        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            try {
                Money cloneMoney = money.clone();
                cloneMoney.setFaceValue(i * 100);
                System.out.println("这张是" + cloneMoney.getFaceValue() +  cloneMoney.getArea().getUnit() + "的钞票");
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

大把大把的钞票出来了

这张是100RMB的钞票

这张是200RMB的钞票

这张是300RMB的钞票

从上面并没有看到抽象原型角色的代码,那该角色在哪?Object就是这个抽象原型角色,因为Java中所有的类都默认继承Objet,在这提供clone方法。

三、浅拷贝和深拷贝

在使用原型模式的时候,常常需要注意用的到底是浅拷贝还是深拷贝,当然这必须结合实际的项目需求。下面来了解学习这两种拷贝的用法和区别:

首先我们来看一个例子,只改变客户端代码:

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");
        // 原型实例,100RMB的钞票
        Money money = new Money(100, area);
        try {
            Money cloneMoney = money.clone();
            cloneMoney.setFaceValue(200);
            area.setUnit("美元"); 

            System.out.println("原型实例的面值:" + money.getFaceValue() +money.getArea().getUnit());
            System.out.println("拷贝实例的面值:" + cloneMoney.getFaceValue() + cloneMoney.getArea().getUnit());
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

运行结果如下:

原型实例的面值:100美元

拷贝实例的面值:200美元

浅拷贝

见鬼了,明明就把原型实例的单位改成了美元而已,拷贝实例怎么也会跟着改变的。哪里有鬼?其实是Java在搞鬼。我们用的是Object的clone方法,而该方法只拷贝按值传递的数据,比如String类型和基本类型,但对象内的数组、引用对象都不拷贝,也就是说内存中原型实例和拷贝实例指向同一个引用对象的地址,这就是浅拷贝。浅拷贝的内存变化如下图:

我的Java设计模式-原型模式

从上图可以看出,浅拷贝前后的两个实例对象共同指向同一个内存地址,即它们共有拥有area1实例,同时也存在着数据被修改的风险。注意,这里不可拷贝的引用对象是指可变的类成员变量

深拷贝

同样的看例子,客户端代码如下:

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");

        // 原型实例,100RMB的钞票
        Money money = new Money(100, area);

        try {
            Money cloneMoney = money.clone();
            cloneMoney.setFaceValue(200);
            area.setUnit("美元");

            System.out.println("原型实例的面值:" + money.getFaceValue() + money.getArea().getUnit());
            System.out.println("拷贝实例的面值:" + cloneMoney.getFaceValue() + cloneMoney.getArea().getUnit());
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

运行结果如下:

原型实例的面值:100美元

拷贝实例的面值:200RMB

咦~这客户端代码不是跟浅拷贝的一样吗,但是运行结果却又不一样了。关键就在,实现深拷贝就需要完全的拷贝,包括引用对象,数组的拷贝。所以Area类也实现了Cloneable接口,重写了clone方法,代码如下:

public class Area implements Cloneable{

    // 钞票单位
    private String unit;

    public String getUnit() {
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }

    @Override
    protected Area clone() throws CloneNotSupportedException {
        Area cloneArea;
        cloneArea = (Area) super.clone();
        return cloneArea;
    }
}

另外,在Money钞票类的clone方法增加拷贝Area的代码:

public class Money implements Cloneable, Serializable {

    private int faceValue;

    private Area area;

    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }

    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }

    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }

    public Area getArea() {
        return area;
    }

    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }

    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        Money cloneMoney = (Money) super.clone();
        cloneMoney.area = this.area.clone();  // 增加Area的拷贝
        return cloneMoney;
    }

}

深拷贝的内存变化如下图:

我的Java设计模式-原型模式

深拷贝除了需要拷贝值传递的数据,还需要拷贝引用对象、数组,即把所有引用的对象都拷贝。需要注意的是拷贝的引用对象是否还有可变的类成员对象,如果有就继续对该成员对象进行拷贝,如此类推。所以使用深拷贝是注意分析拷贝有多深,以免影响性能。

序列化实现深拷贝

这是实现深拷贝的另一种方式,通过二进制流操作对象,从而达到深拷贝的效果。把对象写到流里的过程是序列化过程,而把对象从流中读出来的过程则叫反序列化过程。深拷贝的过程就是把对象序列化(写成二进制流),然后再反序列化(从流里读出来)。注意,在Java中,常常可以先使对象实现Serializable接口,包括引用对象也要实现Serializable接口,不然会抛NotSerializableException。

只要修改Money,代码如下:

public class Money implements Serializable {

    private int faceValue;

    private Area area;

    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }

    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }

    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }

    public Area getArea() {
        return area;
    }

    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }

    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        Money money = null;
        try {
            // 调用deepClone,而不是Object的clone方法
            cloneMoney = (Money) deepClone();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return cloneMoney;
    }

    // 通过序列化深拷贝
    public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
        //将对象写到流里
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(this);
        //从流里读回来
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return ois.readObject();
    }
}

同样运行客户端代码,最后来看看结果:

原型实例的面值:100美元

拷贝实例的面值:200RMB

四、原型模式的优缺点

优点

1)提高性能。不用new对象,消耗的资源少。

缺点

1)浅拷贝时需要实现Cloneable接口,深拷贝则要特别留意是否有引用对象的拷贝。

总结

原型模式本身比较简单,重写Object的clone方法,实现浅拷贝还是深拷贝。重点在理解浅拷贝和深拷贝,这是比较细但又重要,却往往被忽略的知识点。好啦,原型模式就到这了,下一篇是策略模式,敬请关注,拜拜!

设计模式Java源码GitHub下载https://github.com/jetLee92/DesignPattern

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