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文章目錄

• 一、入門
• • 什么是原型模式？
  • 為什么要有原型模式？
  • 如何實現原型模式？
• 二、原型模式在框架源碼中的使用
• • JDK 的 Object.clone()
  • Java 集合框架中的 ArrayList.clone()
  • Spring Framework 中的 Prototype Bean
• 三、總結
• • 原型模式的優點
  • 原型模式的缺點
  • 原型模式的適用場景

一、入門

什么是原型模式？

原型模式（Prototype Pattern）是一種創建型設計模式，它通過復制現有對象來創建新對象，而不是通過實例化類。
原型模式的核心是克隆（Clone），即通過復制現有對象來創建新對象。Java 提供了 Cloneable 接口和 clone() 方法來實現對象的淺拷貝。

為什么要有原型模式？

1. 對象創建成本高
   • 問題：某些對象的創建過程可能非常復雜，涉及大量的計算或資源消耗。例如，數據庫連接、網絡請求、復雜的初始化過程等。
   • 解決方案：通過原型模式，可以直接復制現有對象，避免重復進行高成本的初始化過程。
2. 需要動態配置對象
   • 問題：在某些情況下，對象的配置需要在運行時動態確定，而不是在編譯時確定。如果每次都需要重新創建和配置對象，會導致代碼復雜且難以維護。
   • 解決方案：原型模式允許通過復制現有對象來創建新對象，并根據需要動態修改其配置。
3. 避免子類化
   • 問題：在某些情況下，通過繼承來擴展對象的功能會導致類層次結構復雜，難以維護。
   • 解決方案：原型模式通過復制現有對象來創建新對象，而不是通過繼承來擴展功能，從而簡化了類層次結構。
4. 保持對象狀態
   • 問題：在某些情況下，需要創建與現有對象狀態相同的新對象。如果每次都手動復制對象的狀態，會導致代碼冗余且容易出錯。
   • 解決方案：原型模式通過克隆現有對象來自動復制其狀態，減少了手動復制狀態的工作量。

如何實現原型模式？

原型模式由以下角色組成：

1. 原型接口（Prototype Interface）
   • 定義克隆方法的接口或抽象類。
   • 在 Java 中，通常使用 Cloneable 接口來標記類支持克隆。
2. 具體原型類（Concrete Prototype）
   • 實現原型接口的具體類，負責實現克隆方法。
   • 通常需要重寫 clone() 方法來定義具體的克隆邏輯。
3. 客戶端（Client）
   • 使用原型對象的類，通過調用原型對象的克隆方法來創建新對象。

【案例】打印身份證

假設你需要復印身份證，每次復印時，原始身份證的內容（姓名、身份證號、地址等）是固定的，但復印件的用途可能不同（如用于銀行開戶、辦理簽證等）。如果每次都重新填寫身份證信息，效率很低。
原型模式解決方案：

1. 身份證原件（原型）：包含固定的個人信息。
2. 復印件（克隆對象）：復制原件的內容，并根據用途添加額外信息（如用途備注）。

原型接口（Cloneable 是 Java 內置接口）: Prototype接口

interface Prototype extends Cloneable {Prototype clone();
}

具體原型類（Concrete Prototype） IDCard類

class IDCard implements Prototype {private String name;private String idNumber;private String address;private String purpose; // 復印件的用途public IDCard(String name, String idNumber, String address) {this.name = name;this.idNumber = idNumber;this.address = address;}public void setPurpose(String purpose) {this.purpose = purpose;}@Overridepublic IDCard clone() {try {return (IDCard) super.clone(); // 調用 Object 的 clone() 方法} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException(e);}}@Overridepublic String toString() {return "IDCard{" +"name='" + name + '\'' +", idNumber='" + idNumber + '\'' +", address='" + address + '\'' +", purpose='" + purpose + '\'' +'}';}
}

客戶端

class CopyMachine {public static void main(String[] args) {// 創建身份證原件IDCard originalIDCard = new IDCard("張三", "123456789012345678", "北京市朝陽區");// 復印身份證用于銀行開戶IDCard copyForBank = originalIDCard.clone();copyForBank.setPurpose("銀行開戶");// 復印身份證用于辦理簽證IDCard copyForVisa = originalIDCard.clone();copyForVisa.setPurpose("辦理簽證");// 打印結果System.out.println("原件: " + originalIDCard);System.out.println("銀行開戶復印件: " + copyForBank);System.out.println("辦理簽證復印件: " + copyForVisa);}
}

二、原型模式在框架源碼中的使用

JDK 的 Object.clone()

Java 的根類 Object 提供了 clone() 方法，它是原型模式的底層實現基礎。任何實現 Cloneable 接口的類都可以通過 clone() 方法創建新對象。

public class Object {protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
}

使用約束

• 必須實現 Cloneable 接口：否則調用 clone() 會拋出 CloneNotSupportedException。
• 默認是淺拷貝：需要深拷貝時，必須手動重寫 clone() 方法。

Java 集合框架中的 ArrayList.clone()

Java 的 ArrayList 類實現了 Cloneable 接口，其 clone() 方法通過淺拷貝快速復制一個新的列表。

ArrayList<String> original = new ArrayList<>();
original.add("A");
original.add("B");ArrayList<String> copy = (ArrayList<String>) original.clone();
copy.add("C");System.out.println(original); // 輸出 [A, B]
System.out.println(copy);     // 輸出 [A, B, C]
源碼實現
public class ArrayList<E> implements Cloneable {// ...public Object clone() {try {ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);v.modCount = 0;return v;} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new InternalError(e);}}
}

Spring Framework 中的 Prototype Bean

Spring 框架中的 Bean 作用域（Scope）之一是 prototype，它表示每次從容器中獲取 Bean 時都會創建一個新的實例。這本質上是原型模式的一種應用。

<!-- XML 配置 -->
<bean id="prototypeBean" class="com.example.PrototypeBean" scope="prototype"/>

// Java 代碼中獲取 Bean
ApplicationContext context = ...;
PrototypeBean bean1 = context.getBean(PrototypeBean.class);
PrototypeBean bean2 = context.getBean(PrototypeBean.class);// bean1 和 bean2 是兩個不同的實例
System.out.println(bean1 == bean2); // 輸出 false

設計思想

• 核心機制：Spring 容器內部維護一個原型 Bean 的模板，每次調用 getBean() 時，基于模板創建一個新對象（通過反射或 CGLIB 動態代理）。
• 優勢：避免單例 Bean 的線程安全問題，適用于需要獨立狀態的場景（如 HTTP 請求處理）。

三、總結

原型模式的優點

1. 高效創建對象
   • 通過復制現有對象來創建新對象，避免了重復的初始化過程，特別適用于創建成本較高的對象（如數據庫連接、復雜計算對象）。
   • 例如，Spring 的 Prototype Bean 每次請求都會創建一個新實例，避免了單例 Bean 的線程安全問題。
2. 動態配置對象
   • 可以在運行時動態修改克隆對象的屬性，而不需要重新初始化。
   • 例如，復制一個配置對象后，可以根據需要調整某些參數。
3. 減少子類化
   • 通過復制現有對象來創建新對象，而不是通過繼承來擴展功能，避免了類層次結構的復雜性。
   • 例如，JavaScript 中的原型繼承就是通過復制原型對象來實現的。
4. 標準化對象創建
   • 提供統一的克隆接口（如 Cloneable），使得對象創建過程更加標準化和可控。

原型模式的缺點

1. 深拷貝與淺拷貝問題
   • 默認的 clone() 方法是淺拷貝，如果對象包含引用類型字段，克隆對象和原對象會共享這些字段，可能導致意外的副作用。
   • 實現深拷貝需要額外的工作（如手動復制引用類型字段或使用序列化工具）。
2. 實現復雜度
   • 如果對象結構非常復雜（如包含嵌套對象、循環引用等），實現深拷貝可能會變得復雜且容易出錯。
3. 破壞封裝性
   • clone() 方法是 Object 類的受保護方法，需要在子類中重寫并公開，這可能破壞類的封裝性。
4. 性能問題
   • 深拷貝（如基于序列化的拷貝）可能比較耗時，特別是在對象結構復雜或數據量大的情況下。

原型模式的適用場景

1. 對象創建成本高
   • 當對象的創建過程涉及復雜的計算、資源消耗（如數據庫連接、網絡請求）或耗時操作時，使用原型模式可以顯著提高性能。
   • 例如，Spring 的 Prototype Bean 適用于需要獨立狀態的場景。
2. 需要動態配置對象
   • 當對象的配置需要在運行時動態確定時，可以通過克隆現有對象并修改其屬性來實現。
   • 例如，復制一個配置模板并根據環境調整參數。
3. 避免子類化
   • 當需要通過擴展對象的功能來創建新對象，但又不想引入復雜的類層次結構時，可以使用原型模式。
   • 例如，JavaScript 中的原型繼承。
4. 需要保持對象狀態一致性
   • 當需要創建與現有對象狀態相同的新對象時，可以通過克隆來確保狀態一致性。
   • 例如，游戲中的敵人生成、緩存對象的復制。
5. 框架中的對象管理
   • 在框架中，原型模式常用于管理對象的生命周期和創建過程（如 Spring 的 Prototype Bean、Java 集合框架的 clone() 方法）。