【深入理解设计模式】原型设计模式

原型设计模式

原型设计模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它允许通过复制已有对象来创建新对象，而无需直接依赖它们的具体类。这种模式通常用于需要频繁创建相似对象的场景，以避免昂贵的创建操作或初始化过程。

概述

用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型对象相同的新对象。

结构

原型模式包含如下角色：

• 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的的 clone() 方法。
• 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
• 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

（经典面试题）什么是深克隆和浅克隆？
答：在计算机内存中，每个对象都有一个地址，这个地址指向对象在内存中存储的位置。当我们使用变量引用一个对象时，实际上是将该对象的地址赋值给变量。因此，如果我们将一个对象复制到另一个变量中，实际上是将对象的地址复制到了这个变量中。
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浅拷贝是指将一个对象复制到另一个变量中，但是只是复制对象的地址，而不是对象本身。也就是说，原始对象的复制对象实际上是共享同一个内存地址的。因此，如果我们修改了复制对象中的属性或元素，原始对象中对应的属性或元素也会被修改。
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深拷贝是指将一个对象及其所有子对象都复制到另一个变量中，也就是说，它会创建一个全新的对象，并将原始对象中的所有属性或元素都复制到新的对象中。因此，如果我们修改复制对象中的属性或元素，原始对象中对应的属性或元素不会受到影响。

浅克隆：

1. Java中的Object类中提供了 clone() 方法来实现浅克隆。 Cloneable 接口是抽象原型类，而实现了Cloneable接口的子实现类就是具体的原型类。代码如下：

/*** @author OldGj * @version v1.0* @apiNote 具体原型类-原型模式*/
public class Realizetype implements Cloneable {public Realizetype() {System.out.println("原型创建");}@Overridepublic Realizetype clone() throws CloneNotSupportedException {System.out.println("原型克隆");return (Realizetype) super.clone();}
}

/*** @author OldGj * @version v1.0* @apiNote 测试类 - 测试原型模式克隆*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {Realizetype realizetype = new Realizetype();Realizetype cloned = realizetype.clone();System.out.println(cloned==realizetype); // false}
}

2. 使用BeanUtils实现浅拷贝
   BeanUtils 是 Apache Commons BeanUtils 库中的一个类，它提供了一组用于操作 Java Bean 对象的工具方法。Java Bean 是一种符合特定约定的 Java 类，通常包含私有字段、公共 getter 和 setter 方法。BeanUtils 库可以用于在不直接访问对象字段的情况下操作 Bean 对象的属性。

/*** @author OldGj 2024/02/23* @version v1.0* @apiNote 使用BeanUtils实现浅克隆 - 用户类*/
public class User {private String name;private String password;private Address address;--- 省略get/set方法
}

/*** @author OldGj 2024/02/23* @version v1.0* @apiNote 使用BeanUtils实现浅拷贝 - 地址类*/
public class Address {private String province;private String city;--- 省略get/set方法
}

/*** @author OldGj 2024/02/21* @version v1.0* @apiNote 测试类 - 测试原型模式克隆*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {User user = new User();user.setAddress(new Address("beijing","shanghai"));User user1 = new User();BeanUtils.copyProperties(user,user1);System.out.println(user == user1); // falseSystem.out.println(user.getAddress() == user1.getAddress()); // true : 浅拷贝}
}

深克隆：

1. 实现Cloneable接口，重写clone()；

在Objecta类中定义了一个clone方法，这个方法其实在不重写的情况下，其实也是浅拷贝的。

如果想要实现深拷贝，就需要重写clone方法，而想要重写clone方法，就必须实现Cloneable,否则会报Clone NotSupportedException异常。

/*** @author OldGj 2024/02/23* @version v1.0* @apiNote 重写clone方法实现深克隆- 地址类*/
public class Address {private String province;private String city;--- 省略get/set方法
}

/*** @author OldGj * @version v1.0* @apiNote 重写clone方法实现深克隆 - 用户类*/
public class User implements Cloneable{private String name;private String password;private Address address;@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {User user = (User) super.clone();user.setAddress(new Address());return user;}--- 省略get/set方法
}

/*** @author OldGj * @version v1.0* @apiNote 测试类 - 测试原型模式克隆*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {User user = new User();User clone = (User) user.clone();System.out.println(user == clone); // falseSystem.out.println(user.getAddress() == clone.getAddress()); // false 深克隆}
}

这种方式的逻辑很好理解，就是在重写的clone()方法中，将对象的所有引用类型的属性全部设置为一个新实例化的引用即可。

但是采用这种方式也有一个缺点就是，如果我们User类中引用类型的属性非常多，那么clone()方法需要写很长，而且后面如果有修改，比如在User类中新增了属性，那么这个地方也要修改，并且通过这种方式实现深克隆后，我们也无法再调用上述浅克隆的方式进行浅克隆了。

2. 序列化实现深克隆：我们可以借助序列化来实现深拷贝。先把对象序列化成流，再从流中反序列化成对象，这样就一定是新的对象了。

序列化的方式有很多，比如我们可以使用各种JSON工具，把对象序列化成SON字符串，然后再从字符串中反序列化成对象。

使用fastjson工具包序列化实现深拷贝：

/*** @author OldGj 2024/02/21* @version v1.0* @apiNote 奖状类*/
public class Citation implements Cloneable, Serializable {private Student student;public void show() {System.out.println(student.getName() + "获得了奖状");}public Student getStudent() {return student;}public void setStudent(Student student) {this.student = student;}@Overrideprotected Citation clone() throws CloneNotSupportedException {return (Citation) super.clone();}
}

/*** @author OldGj 2024/02/21* @version v1.0* @apiNote 学生类*/
public class Student implements Serializable {private String name;public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}
}

/*** @author OldGj * @version v1.0* @apiNote 客户端 - 测试深拷贝 - 使用fastjson工具包实现序列化*/
public class CitationTest {public static void main(String[] args) throws Exception {Citation citation = new Citation();citation.setStudent(new Student());String jsonString = JSON.toJSONString(citation);Citation newCitation = JSON.parseObject(jsonString, Citation.class);System.out.println(citation == newCitation); // false System.out.println(citation.getStudent() == newCitation.getStudent()); // false 深拷贝}
}

使用SerializationUtils工具类实现深拷贝：

SerializationUtils 是 Apache Commons Lang 库中的一个工具类，用于实现 Java 对象的序列化和反序列化。它提供了一组静态方法，可以方便地将对象序列化为字节数组，或者将字节数组反序列化为对象。
引入Apache Commons Lang库依赖：

<dependency><groupId>org.apache.commons</groupId><artifactId>commons-lang3</artifactId><version>3.12.0</version> <!-- 或者是当前最新版本 -->
</dependency>

/*** @author OldGj 2024/02/21* @version v1.0* @apiNote 客户端 - 测试类 测试深拷贝*/
public class CitationTest2 {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {Citation citation = new Citation();Student student = new Student();student.setName("张三");citation.setStudent(student);Citation cloned = SerializationUtils.clone(citation); //基于序列化实现深拷贝System.out.println(citation==cloned); // falseSystem.out.println(citation.getStudent()==cloned.getStudent()); // false 深克隆Student student1 = new Student();student1.setName("李四");cloned.setStudent(student1); // 修改克隆对象的引用类型属性，原对象的该属性不变System.out.println(citation.getStudent().getName());System.out.println(cloned.getStudent().getName());}
}

注意事项
序列化版本一致性：确保序列化和反序列化的类具有相同的 serialVersionUID，以避免反序列化时出现 InvalidClassException。

Serializable 接口：要序列化一个对象，该对象的类必须实现 Serializable 接口。

SerializationUtils 提供了一种简单而强大的方式来实现对象的序列化和反序列化，以及对象的深度复制，从而简化了 Java 应用程序中的对象操作。Citation类和Student类必须实现Serializable接口，否则会抛NotSerializableException异常。