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問題

“如果你有一個(gè)對(duì)象， 并希望生成與其完全相同的一個(gè)復(fù)制品， 你該如何實(shí)現(xiàn)呢?首先， 你必須新建一個(gè)屬于相同類的對(duì)象。然后， 你必須遍歷原始對(duì)象的所有成員變量， 并將成員變量值復(fù)制到新對(duì)象中。

for (int i = 0; i < 10; i++) { 
  Sheep sheep = new Sheep("肖恩"+i+"號(hào)",2+i,"白色"); 
  System.out.println(sheep.toString()); 
} 

這種方式是比較容易想到的，但是有幾個(gè)不足

• 在創(chuàng)建新對(duì)象的時(shí)候，總是需要重新獲取原始對(duì)象的屬性，如果創(chuàng)建的對(duì)象比較復(fù)雜，效率會(huì)很低
• 總是需要重新初始化對(duì)象，而不是動(dòng)態(tài)地獲得對(duì)象運(yùn)行時(shí)的狀態(tài), 不夠靈活
• 另一方面，并非所有對(duì)象都能通過(guò)這種方式進(jìn)行復(fù)制， 因?yàn)橛行?duì)象可能擁有私有成員變量， 它們?cè)趯?duì)象本身以外是不可見的

“萬(wàn)物兼對(duì)象的 Java 中的所有類的根類 Object，提供了一個(gè) clone() 方法，該方法可以將一個(gè) Java 對(duì)象復(fù)制一份，但是需要實(shí)現(xiàn) clone() 的類必須要實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口 Cloneable，該接口表示該類能夠復(fù)制且具有復(fù)制的能力。這就引出了原型模式。

基本介紹

1. 原型模式(Prototype模式)是指：用原型實(shí)例指定創(chuàng)建對(duì)象的種類，并且通過(guò)拷貝這些原型，創(chuàng)建新的對(duì)象
2. 原型模式是一種創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式， 使你能夠復(fù)制已有對(duì)象， 而又無(wú)需使代碼依賴它們所屬的類
3. 工作原理是：通過(guò)將一個(gè)原型對(duì)象傳給那個(gè)要發(fā)動(dòng)創(chuàng)建的對(duì)象，這個(gè)要發(fā)動(dòng)創(chuàng)建的對(duì)象通過(guò)請(qǐng)求原型對(duì)象拷貝它們自己來(lái)實(shí)施創(chuàng)建，即 對(duì)象**.clone**()

類圖

• Prototype : 原型 (Prototype) 接口將對(duì)克隆方法進(jìn)行聲明

Java 中 Prototype 類需要具備以下兩個(gè)條件

1. 實(shí)現(xiàn) Cloneable 接口。在 Java 語(yǔ)言有一個(gè) Cloneable 接口，它的作用只有一個(gè)，就是在運(yùn)行時(shí)通知虛擬機(jī)可以安全地在實(shí)現(xiàn)了此接口的類上使用 clone 方法。在 Java 虛擬機(jī)中，只有實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口的類才可以被拷貝，否則在運(yùn)行時(shí)會(huì)拋出 CloneNotSupportedException 異常
2. 重寫 Object 類中的 clone 方法。Java 中，所有類的父類都是 Object 類，Object 類中有一個(gè) clone 方法，作用是返回對(duì)象的一個(gè)拷貝

• ConcretePrototype：具體原型 (Concrete Prototype) 類將實(shí)現(xiàn)克隆方法。除了將原始對(duì)象的數(shù)據(jù)復(fù)制到克隆體中之外， 該方法有時(shí)還需處理克隆過(guò)程中的極端情況， 例如克隆關(guān)聯(lián)對(duì)象和梳理遞歸依賴等等。
• Client: 使用原型的客戶端，首先要獲取到原型實(shí)例對(duì)象，然后通過(guò)原型實(shí)例克隆自己，從而創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象。

實(shí)例

“我們用王二小放羊的例子寫這個(gè)實(shí)例

1、原型類(實(shí)現(xiàn) Clonable)

@Setter 
@Getter 
@NoArgsConstructor 
@AllArgsConstructor 
class Sheep implements Cloneable { 
    private String name; 
    private Integer age; 
    private String color; 
 
    @Override 
    protected Sheep clone() { 
        Sheep sheep = null; 
        try { 
            sheep = (Sheep) super.clone(); 
        } catch (Exception e) { 
            System.out.println(e.getMessage()); 
        } 
        return sheep; 
    } 
} 

2、具體原型

按業(yè)務(wù)的不同實(shí)現(xiàn)不同的原型對(duì)象，假設(shè)現(xiàn)在主角是王二小，羊群里有山羊、綿羊一大群

public class Goat extends Sheep{ 
    public void graze() { 
        System.out.println("山羊去吃草"); 
    } 
} 

public class Lamb extends Sheep{ 
    public void graze() { 
        System.out.println("羔羊去吃草"); 
    } 
} 

3、客戶端

public class Client { 
 
    static List<Sheep> sheepList = new ArrayList<>(); 
    public static void main(String[] args) { 
        Goat goat = new Goat(); 
        goat.setName("山羊"); 
        goat.setAge(3); 
        goat.setColor("灰色"); 
        for (int i = 0; i < 5; i++) { 
            sheepList.add(goat.clone()); 
        } 
 
        Lamb lamb = new Lamb(); 
        lamb.setName("羔羊"); 
        lamb.setAge(2); 
        lamb.setColor("白色"); 
        for (int i = 0; i < 5; i++) { 
            sheepList.add(lamb.clone()); 
            System.out.println(lamb.hashCode()+","+lamb.clone().hashCode()); 
        } 
 
        for (Sheep sheep : sheepList) { 
            System.out.println(sheep.toString()); 
        } 
} 

原型模式將克隆過(guò)程委派給被克隆的實(shí)際對(duì)象。模式為所有支持克隆的對(duì)象聲明了一個(gè)通用接口， 該接口讓你能夠克隆對(duì)象，同時(shí)又無(wú)需將代碼和對(duì)象所屬類耦合。通常情況下，這樣的接口中僅包含一個(gè) 克隆方法。

所有的類對(duì) 克隆方法的實(shí)現(xiàn)都非常相似。該方法會(huì)創(chuàng)建一個(gè)當(dāng)前類的對(duì)象， 然后將原始對(duì)象所有的成員變量值復(fù)制到新建的類中。你甚至可以復(fù)制私有成員變量， 因?yàn)榻^大部分編程語(yǔ)言都允許對(duì)象訪問其同類對(duì)象的私有成員變量。

支持克隆的對(duì)象即為原型。當(dāng)你的對(duì)象有幾十個(gè)成員變量和幾百種類型時(shí)， 對(duì)其進(jìn)行克隆甚至可以代替子類的構(gòu)造。

優(yōu)勢(shì)

使用原型模式創(chuàng)建對(duì)象比直接 new 一個(gè)對(duì)象在性能上要好的多，因?yàn)?Object 類的 clone 方法是一個(gè)本地方法，它直接操作內(nèi)存中的二進(jìn)制流，特別是復(fù)制大對(duì)象時(shí)，性能的差別非常明顯。

使用原型模式的另一個(gè)好處是簡(jiǎn)化對(duì)象的創(chuàng)建，使得創(chuàng)建對(duì)象就像我們?cè)诰庉嬑臋n時(shí)的復(fù)制粘貼一樣簡(jiǎn)單。

因?yàn)橐陨蟽?yōu)點(diǎn)，所以在需要重復(fù)地創(chuàng)建相似對(duì)象時(shí)可以考慮使用原型模式。比如需要在一個(gè)循環(huán)體內(nèi)創(chuàng)建對(duì)象，假如對(duì)象創(chuàng)建過(guò)程比較復(fù)雜或者循環(huán)次數(shù)很多的話，使用原型模式不但可以簡(jiǎn)化創(chuàng)建過(guò)程，而且可以使系統(tǒng)的整體性能提高很多。

適用場(chǎng)景

《Head First 設(shè)計(jì)模式》是這么形容原型模式的：當(dāng)創(chuàng)建給定類的實(shí)例的過(guò)程很昂貴或很復(fù)雜時(shí)，就是用原型模式。

如果你需要復(fù)制一些對(duì)象，同時(shí)又希望代碼獨(dú)立于這些對(duì)象所屬的具體類，可以使用原型模式。

如果子類的區(qū)別僅在于其對(duì)象的初始化方式， 那么你可以使用該模式來(lái)減少子類的數(shù)量。別人創(chuàng)建這些子類的目的可能是為了創(chuàng)建特定類型的對(duì)象

原型模式在 Spring 中的應(yīng)用

我們都知道 Spring bean 默認(rèn)是單例的，但是有些場(chǎng)景可能需要原型范圍，如下

<bean id="sheep" class="priv.starfish.prototype.Sheep" scope="prototype"> 
   <property name="name" value="肖恩"/> 
   <property name="age" value="2"/> 
   <property name="color" value="白色"/> 
</bean> 

同樣，王二小還是有 10 只羊，感興趣的也可以看下他們創(chuàng)建的對(duì)象是不是同一個(gè)

public class Client { 
    public static void main(String[] args) { 
        ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml"); 
        for (int i = 0; i < 10; i++) { 
            Object bean = context.getBean("sheep"); 
            System.out.println(bean); 
        } 
    } 
} 

感興趣的同學(xué)可以深入源碼看下具體的實(shí)現(xiàn)，在 AbstractBeanFactory 的 doGetBean() 方法中

原型模式的注意事項(xiàng)

• 使用原型模式復(fù)制對(duì)象不會(huì)調(diào)用類的構(gòu)造方法。因?yàn)閷?duì)象的復(fù)制是通過(guò)調(diào)用 Object 類的 clone 方法來(lái)完成的，它直接在內(nèi)存中復(fù)制數(shù)據(jù)，因此不會(huì)調(diào)用到類的構(gòu)造方法。不但構(gòu)造方法中的代碼不會(huì)執(zhí)行，甚至連訪問權(quán)限都對(duì)原型模式無(wú)效。還記得單例模式嗎?單例模式中，只要將構(gòu)造方法的訪問權(quán)限設(shè)置為 private 型，就可以實(shí)現(xiàn)單例。但是 clone 方法直接無(wú)視構(gòu)造方法的權(quán)限，所以，單例模式與原型模式是沖突的，在使用時(shí)要特別注意。
• 深拷貝與淺拷貝。Object 類的 clone方法只會(huì)拷貝對(duì)象中的基本的數(shù)據(jù)類型，對(duì)于數(shù)組、容器對(duì)象、引用對(duì)象等都不會(huì)拷貝，這就是淺拷貝。如果要實(shí)現(xiàn)深拷貝，必須將原型模式中的數(shù)組、容器對(duì)象、引用對(duì)象等另行拷貝。

淺拷貝和深拷貝

首先需要明白，淺拷貝和深拷貝都是針對(duì)一個(gè)已有對(duì)象的操作。

在 Java 中，除了基本數(shù)據(jù)類型(元類型)之外，還存在 類的實(shí)例對(duì)象 這個(gè)引用數(shù)據(jù)類型。而一般使用 『 = 』號(hào)做賦值操作的時(shí)候。對(duì)于基本數(shù)據(jù)類型，實(shí)際上是拷貝的它的值，但是對(duì)于對(duì)象而言，其實(shí)賦值的只是這個(gè)對(duì)象的引用，將原對(duì)象的引用傳遞過(guò)去，他們實(shí)際上還是指向的同一個(gè)對(duì)象。

而淺拷貝和深拷貝就是在這個(gè)基礎(chǔ)之上做的區(qū)分，如果在拷貝這個(gè)對(duì)象的時(shí)候，只對(duì)基本數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了拷貝，而對(duì)引用數(shù)據(jù)類型只是進(jìn)行了引用的傳遞，而沒有真實(shí)的創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象，則認(rèn)為是淺拷貝。反之，在對(duì)引用數(shù)據(jù)類型進(jìn)行拷貝的時(shí)候，創(chuàng)建了一個(gè)新的對(duì)象，并且復(fù)制其內(nèi)的成員變量，則認(rèn)為是深拷貝。

“所謂的淺拷貝和深拷貝，只是在拷貝對(duì)象的時(shí)候，對(duì) 類的實(shí)例對(duì)象 這種引用數(shù)據(jù)類型的不同操作而已

淺拷貝

1. 對(duì)于數(shù)據(jù)類型是基本數(shù)據(jù)類型的成員變量，淺拷貝會(huì)直接進(jìn)行值傳遞，也就是將該屬性值復(fù)制一份給新的對(duì)象。
2. 對(duì)于數(shù)據(jù)類型是引用數(shù)據(jù)類型的成員變量，比如說(shuō)成員變量是某個(gè)數(shù)組、某個(gè)類的對(duì)象等，那么淺拷貝會(huì)進(jìn)行引用傳遞，也就是只是將該成員變量的引用值(內(nèi)存地址)復(fù)制一份給新的對(duì)象。因?yàn)閷?shí)際上兩個(gè)對(duì)象的該成員變量都指向同一個(gè)實(shí)例。在這種情況下，在一個(gè)對(duì)象中修改該成員變量會(huì)影響到另一個(gè)對(duì)象的該成員變量值
3. 前面我們克隆羊就是淺拷貝，如果我們?cè)?Sheep 中加一個(gè)對(duì)象類型的屬性，public Sheep child;可以看到 s 和 s1 的 friend 是同一個(gè)。

 Sheep s = new Sheep(); 
  s.setName("sss"); 
   
  s.friend = new Sheep(); 
  s.friend.setName("喜洋洋"); 
   
  Sheep s1 = s.clone(); 
  System.out.println(s == s1); 
  System.out.println(s.hashCode()+"---"+s.clone().hashCode()); 
   
  System.out.println(s.friend == s1.friend); 
  System.out.println(s.friend.hashCode() + "---" +s1.friend.hashCode()); 
false 
621009875---1265094477 
true 
2125039532---2125039532 

深拷貝

現(xiàn)在我們知道 clone() 方法，只能對(duì)當(dāng)前對(duì)象進(jìn)行淺拷貝，引用類型依然是在傳遞引用。那如何進(jìn)行一個(gè)深拷貝呢?

常見的深拷貝實(shí)現(xiàn)方式有兩種：

1. 重寫 clone 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)深拷貝
2. 通過(guò)對(duì)象序列化實(shí)現(xiàn)深拷貝

淺拷貝和深拷貝只是相對(duì)的，如果一個(gè)對(duì)象內(nèi)部只有基本數(shù)據(jù)類型，那用 clone() 方法獲取到的就是這個(gè)對(duì)象的深拷貝，而如果其內(nèi)部還有引用數(shù)據(jù)類型，那用 clone() 方法就是一次淺拷貝的操作。