原型模式——对象的克隆

1、简介

1.1、概述

可以通过一个原型对象克隆出多个一模一样的对象，该模式被称为原型模式。
在使用原型模式时，需要首先创建一个原型对象，再通过复制这个原型对象来创建更多同类型的对象。

1.2、定义

原型模式（Prototype Pattern）：使用原型实例指定创建对象的种类，并且通过克隆这些原型创建新的对象。原型模式是一种对象创建型模式。

2、解析

2.1、示例

原型模式的工作原理很简单：将一个原型对象传给要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象克隆自己来实现创建过程。由于在软件系统中经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况，因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。原型模式是一种“另类”的创建型模式，创建克隆对象的工厂就是原型类自身，工厂方法由克隆方法来实现。

需要注意的是，通过克隆方法所创建的对象是全新的对象，它们在内存中拥有新的地址。通常，对克隆所产生的对象进行的修改不会对原型对象造成任何影响，每个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式对克隆对象进行修改以后，可以得到一系列相似但不完全相同的对象。原型模式的结构如下图所示：

在原型模式结构图中包含以下3个角色：
（1）Prototype（抽象原型类）：它是声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
（2）ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。（3）Client（客户类）：让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象，在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象，再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程，因此用户可以根据需要选择具体原型类，系统具有较好的可扩展性，增加或更换具体原型类都很方便。

2.2、Java中常用的克隆对象方法

原型模式的核心在于如何实现克隆方法，下面将介绍两种在Java语言中常用的克隆实现方法。

1、通用实现方法

通用的克隆实现方法是在具体原型类的克隆方法中实例化一个与自身类型相同的对象并将其返回，并将相关的参数传入新创建的对象中，保证它们的成员变量相同。示意代码如下：

public class ConcretePrototype extends Prototype {// 成员变量private String attr;public String getAttr() {return attr;}public void setAttr(String attr) {this.attr = attr;}// 克隆方法public Prototype clone() {// 创建对象ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();prototype.setAttr(this.attr);return prototype;}
}

在客户类中，只需要创建一个ConcretePrototype对象作为原型对象，然后调用其clone（）方法即可得到对应的克隆对象，代码如下：

Prototype obj1= new ConcretePrototype();
obj1.setAttr(this.attr);
Prototype obj2=obj1.clone();

这种方法可作为原型模式的通用实现，它与编程语言特性无关，任何面向对象语言都可以使用这种形式来实现对原型的克隆。

2、java的clone()方法

所有的Java类都继承自java.lang.Object。事实上，Object类提供了一个clone（）方法，可以将一个Java对象克隆一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone（）方法来实现对象的克隆，Java语言中的原型模式实现很简单。

需要注意的是能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable，表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone（）方法，Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。代码如下：

public class ConcretePrototype implements Cloneable {...public Prototype clone() {Object object = null;try {object = super.clone();} catch (CloneNotSupportedException exception) {exception.printStackTrace();}return (Prototype) object;}...
}

在客户端创建原型对象和克隆对象也很简单，代码如下：

Prototype obj1 = new ConcretePrototype();
Prototype obj2 = obj1.clone;

一般而言，Java语言中的clone（）方法满足：
（1）对任何对象x，都有x.clone（）!＝x，即克隆对象与原型对象不是同一个对象。（2）对任何对象x，都有x.clone（）.getClass（）＝＝x.getClass（），即克隆对象与原型对象的类型一样。
（3）如果对象x的equals（）方法定义恰当，那么x.clone（）.equals（x）应该成立。为了获取对象的一份克隆，可以直接利用Object类的clone（）方法，具体步骤如下：

• 在派生类中覆盖基类的clone（）方法，并声明为public。
• 在派生类的clone（）方法中，调用super.clone（）。
• 派生类需实现Cloneable接口。

2.3、java中的浅克隆和深克隆

浅克隆（Shallow Clone）和深克隆（Deep Clone）。在Java语言中，数据类型分为值类型（基本数据类型）和引用类型，值类型包括int、double、byte、boolean、char等简单数据类型，引用类型包括类、接口、数组等复杂类型。浅克隆和深克隆的主要区别在于是否支持引用类型的成员变量的复制。

1、浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有被复制，如下图所示。

在Java语言中，通过覆盖Object类的clone（）方法可以实现浅克隆。

2、深克隆

在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将被复制。

在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过序列化（Serialization）等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个复制品，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的复制不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是，能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。

深克隆示意图如下所示：

深克隆技术实现了原型对象和克隆对象的完全独立，对任意克隆对象的修改都不会给其他对象产生影响，是一种更为理想的克隆实现方式。

3、扩展

Java语言提供的Cloneable接口和Serializable接口的代码非常简单，它们都是空接口，这种空接口也称为标识接口。标识接口中没有任何方法的定义，其作用是告诉JRE这些接口的实现类是否具有某个功能，例如是否支持克隆、是否支持序列化等。

3、总结

原型模式作为一种快速创建大量相同或相似对象的方式，在软件开发中应用较为广泛，很多软件提供的复制（Ctrl+C）和粘贴（Ctrl+V）操作就是原型模式的典型应用。

3.1、优点

（1）当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
（2）扩展性较好。由于在原型模式中提供了抽象原型类，在客户端可以针对抽象原型类进行编程，而将具体原型类写在配置文件中，增加或减少具体原型类对原有系统都没有任何影响。
（3）原型模式提供了简化的创建结构。工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样。原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。
（4）可以使用深克隆的方式保存对象的状态。使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来，以便在需要的时候使用，例如恢复到某一历史状态，可辅助实现撤销操作。

3.2、缺点

（1）需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部。当对已有的类进行改造时，需要修改源代码，违背了开闭原则。
（2）在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重的嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来可能会比较麻烦。

3.3、使用场景

（1）创建新对象成本较大（例如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源）。新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
（2）如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
（3）需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态。通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。