原型模式详细介绍和代码实现

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Java实现原型模式

介绍: 原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，允许通过复制已有对象来创建新对象，而不需要依赖其具体类。这种模式的关键在于克隆现有对象，而不是通过直接实例化新对象，从而避免重复的复杂对象构建过程。

🎯 案例场景:

假设我们在开发一个游戏角色系统，每个角色都有不同的属性，比如力量、敏捷和智力。创建一个新角色需要耗费大量的计算资源（如生成外貌、装备等）。如果我们想要快速创建一个与现有角色相似的新角色，只需要在原有角色基础上进行微调，而不重新生成所有属性。

我们可以使用原型模式，通过复制已有角色对象，再对其进行调整，来生成新的角色。

原型模式的核心步骤：

1. Prototype 接口：定义 clone() 方法，所有需要被复制的对象实现该接口。
2. 具体原型类：实现 clone() 方法，用于创建对象的副本。
3. 客户端代码：通过调用 clone() 方法来复制已有对象。

🧑‍💻 Java代码实现:

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;// 1. 定义原型接口 Prototype
interface GameCharacter extends Cloneable {GameCharacter clone();void display();
}// 2. 具体的角色类实现原型接口
class Warrior implements GameCharacter {private String name;private int strength;private int agility;private int intelligence;public Warrior(String name, int strength, int agility, int intelligence) {this.name = name;this.strength = strength;this.agility = agility;this.intelligence = intelligence;}// 实现 clone 方法@Overridepublic Warrior clone() {try {return (Warrior) super.clone();  // 调用 Object 类的 clone 方法} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}}// 展示角色信息@Overridepublic void display() {System.out.println("Warrior [Name: " + name + ", Strength: " + strength +", Agility: " + agility + ", Intelligence: " + intelligence + "]");}
}// 3. 客户端代码，使用原型模式
public class PrototypePatternDemo {public static void main(String[] args) {// 创建一个原始的角色Warrior originalWarrior = new Warrior("Arthas", 80, 50, 30);originalWarrior.display();// 使用克隆方法复制角色Warrior clonedWarrior = originalWarrior.clone();// 修改克隆对象的某些属性clonedWarrior.display();// 现在，原始角色和克隆角色的内存地址不同，但属性相同System.out.println("Original Warrior HashCode: " + originalWarrior.hashCode());System.out.println("Cloned Warrior HashCode: " + clonedWarrior.hashCode());}
}

📋 解释：

1. GameCharacter 接口：定义了 clone() 方法，表示所有实现这个接口的类都可以被克隆。
2. Warrior 类：实现了 GameCharacter 接口，并通过 super.clone() 进行浅克隆。这个方法通过复制对象的当前状态来创建一个新实例。
3. 客户端代码：首先创建了一个 Warrior 对象 originalWarrior，并使用其 clone() 方法创建了一个副本 clonedWarrior。然后可以自由修改克隆对象的属性，而不影响原始对象。

🌟 应用场景:

1. 对象创建开销大，不希望每次都通过构造函数创建。
2. 需要保存对象的初始状态，以便在不同地方进行修改和操作。
3. 游戏开发中，需要频繁创建相似但稍有不同的角色或物品。

深拷贝和浅拷贝

浅拷贝：复制对象时，只复制对象的基本属性和引用类型的引用。即如果对象的属性是引用类型（如数组、对象），浅拷贝只会复制这些引用，而不是引用所指向的实际对象。因此，拷贝后的对象和原始对象共享这些引用类型的数据，修改引用类型的内容会影响原始对象。

深拷贝：不仅会复制对象的基本属性，还会递归地复制引用类型所指向的对象，即引用对象也会完全复制成一个新的副本。这样，拷贝后的对象与原始对象完全独立，修改拷贝对象的引用类型内容，不会影响原始对象。

🌟 案例解释：

假设我们有一个 Person 类，里面包含基本类型属性 name 和引用类型 address。

1. 浅拷贝示例：

浅拷贝只复制基本属性和引用对象的引用，不复制引用对象本身。

class Address {String city;public Address(String city) {this.city = city;}
}class Person implements Cloneable {String name;Address address;public Person(String name, Address address) {this.name = name;this.address = address;}// 浅拷贝@Overridepublic Person clone() {try {return (Person) super.clone();  // 调用 Object 的 clone 方法} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}}public void display() {System.out.println("Name: " + name + ", City: " + address.city);}
}public class ShallowCopyDemo {public static void main(String[] args) {Address address = new Address("New York");Person person1 = new Person("John", address);Person person2 = person1.clone();  // 浅拷贝// 显示原始和克隆对象person1.display();  // Name: John, City: New Yorkperson2.display();  // Name: John, City: New York// 修改克隆对象的 addressperson2.address.city = "San Francisco";// 浅拷贝后，原始对象的 address 也被改变person1.display();  // Name: John, City: San Franciscoperson2.display();  // Name: John, City: San Francisco}
}

结果解释：

• person2 是 person1 的浅拷贝。
• 当 person2 的 address.city 修改为 "San Francisco" 后，person1 的 address.city 也变成了 "San Francisco"。这是因为浅拷贝只复制了引用，两个对象共享同一个 Address 对象。

2. 深拷贝示例：

深拷贝需要复制所有对象，包括引用对象中的数据。

class Address implements Cloneable {String city;public Address(String city) {this.city = city;}@Overridepublic Address clone() {try {return (Address) super.clone();  // 克隆 Address 对象} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}}
}class Person implements Cloneable {String name;Address address;public Person(String name, Address address) {this.name = name;this.address = address;}// 深拷贝@Overridepublic Person clone() {try {Person clonedPerson = (Person) super.clone();clonedPerson.address = address.clone();  // 深拷贝 Addressreturn clonedPerson;} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}}public void display() {System.out.println("Name: " + name + ", City: " + address.city);}
}public class DeepCopyDemo {public static void main(String[] args) {Address address = new Address("New York");Person person1 = new Person("John", address);Person person2 = person1.clone();  // 深拷贝// 显示原始和克隆对象person1.display();  // Name: John, City: New Yorkperson2.display();  // Name: John, City: New York// 修改克隆对象的 addressperson2.address.city = "San Francisco";// 深拷贝后，原始对象的 address 未被改变person1.display();  // Name: John, City: New Yorkperson2.display();  // Name: John, City: San Francisco}
}

结果解释：

• person2 是 person1 的深拷贝。
• 当 person2 的 address.city 修改为 "San Francisco" 后，person1 的 address.city 仍然是 "New York"。这是因为深拷贝创建了 Address 对象的独立副本，两个对象不再共享同一个引用。

🔍 关键区别总结：

1. 浅拷贝
   • 只复制对象的基本类型属性和引用的地址，不复制引用的实际内容。
   • 拷贝后的对象与原对象共享引用类型的对象。
   • 如果修改了引用类型的数据，原始对象也会受到影响。
2. 深拷贝
   • 复制对象的所有属性，包括递归复制引用类型对象。
   • 拷贝后的对象和原始对象完全独立，互不影响。
   • 修改其中一个对象的引用类型内容，不会影响另一个对象。