設計模式 - 原型模式

原型模式（Prototype），在制造業種通常是指大批量生產開始之前研發出的概念模型，并基于各種參數指標對其進行檢驗，效果達到了質量要求，即可參照這個原型進行批量生產。即，原型模式可以用對象創建對象，而不是用類創建對象，以此達到效率的提升。

舉個栗子，類似于打印機和復印機的區別：

第一份打印出來的原文稿，我們稱之為“原型文件”
對于復印過程，我們稱之為“原型拷貝”

原型模式對于 非常復雜初始化過程的對象，或者是?需要消耗大量資源?的情況下，原型模式是更好的選擇。

一、以空戰游戲為例

1. 敵機類?EnemyPlane 代碼：

2. 怎樣創建500臺敵機

1)??for循環批量生產敵機

2)??懶加載依然有性能問題

3)??細胞分裂

3. 復雜對象的克隆?- 深拷貝、淺拷貝

4. 克隆的本質

一、以空戰游戲為例

假設我們設計一個空戰游戲的程序，

為了簡單，我們設定游戲為單打，也就是說主角飛機只有一駕，而敵機有很多駕，而且可以在屏幕上垂直向下移動來撞擊注解飛機，具體是怎樣實現的呢？其實比較簡單，就是程序不停改變坐標并且在畫面上重繪而已。由淺入深，我們?先試著寫一個敵機類。

Tips：空戰游戲中的主角如果是單個實例的話，其實就用到單例模式了。可以參考：?設計模式 - 單例模式-CSDN博客，本文只關注可以有多個實例的敵機。

1. 敵機類?EnemyPlane 代碼：

public class EnemyPlane {private int x; // 敵機橫坐標private int y = 0; // 敵機縱坐標public EnemyPlane(int x) { // 構造器this.x = x;}public int getX() {return x;}public int getY() {return y;}public void fly() { // 讓敵機飛y++; // 每調用一次，敵機飛行時縱坐標+1}
}

縱坐標固定為0，由于敵機一開始是從頂部飛出去的。

只有getter沒有setter，也就是只能在初始化時確定好敵機的橫坐標x，之后不允許改了

2. 怎樣創建500臺敵機

我們想讓敵機向雨點一樣不斷下落，首先需要實例化500駕敵機。

1)??for循環批量生產敵機

這樣做法看似沒有問題，實際上效率非常低。

游戲畫面不可能同時出現500駕敵機，而且在游戲未開始的時候就加載了500駕，不僅使加載速度變慢、也是對有限內存資源的一種浪費。

public class Client {public static void main(String[] args) {List<EnemyPlane> enemyPlanes = new ArrayList<EnemyPlane>();for (int i = 0; i < 500; i++) {// 此處于隨機縱坐標處出現敵機EnemyPlane ep = new EnemyPlane(new Random().nextInt(200));enemyPlanes.add(ep);}}
}

那么，到底什么時候才去構造敵機，-- 當然是懶加載了

按照地圖坐標，屏幕滾動到某一點時才實時構造敵機，就解決問題了。

2)??懶加載依然有性能問題

主要原因在于，“new” 關鍵字進行的基于類的實例化過程，每駕敵機都進行全新構造的做法是不合適的，其代價是耗費更多的CPU資源。

尤其大型游戲中，很多個線程不停運轉著，CPU資源本身就非常寶貴，此時如果進行大量的類構造與復雜的初始化工作，必然會造成游戲卡頓、甚至會造成系統無響應

3)??細胞分裂

硬件永遠離不開優秀的軟件，我們絕不允許以糟糕的軟件設計對硬件發起挑戰。

既然循環第一次之后已經實例化好了一個敵機原型，那么之后又何必去重復這個構造過程呢？敵機對象是否能像細胞分裂一樣自我復制呢？要解決這個問題，原型模式是最好的解決方案了。

1）重構敵機類，支持原型拷貝

讓敵機類EnemyPlane實現了java.lang包中的克隆接口Cloneable，并在實現方法中調用了父類Object的克隆方法，省去了由類而生的再造過程。

public class EnemyPlane implements Cloneable {private int x; // 敵機橫坐標private int y = 0; // 敵機縱坐標public EnemyPlane(int x) { // 構造器this.x = x;}public int getX() {return x;}public int getY() {return y;}public void fly() { // 讓敵機飛y++; // 每調用一次，敵機飛行時縱坐標+1}// 此處開放setX，是為了讓克隆后的實例重新修改橫坐標public void setX(int x) {this.x = x;}// 重寫克隆方法@Overridepublic EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {return (EnemyPlane)super.clone();}
}

至此，克隆模式其實已經實現了，只需簡單的調用克隆方法即可更高效地得到一個全新的實例副本。

為了更方便的生產飛機，我們決定定義一個敵機克隆工廠類

public class EnemyPlaneFactory {// 此處用單例模式創建一個敵機原型private static EnemyPlane protoType = new EnemyPlane(200);// 獲取敵機克隆實例public static EnemyPlane getInstance(int x) {EnemyPlane clone = protoType.clone(); // 復制原型機clone.setX(x); // 重新設置克隆機的x坐標return clone;}
}

我們在敵機克隆工廠類EnemyPlaneFactory中第4行使用了一個靜態的敵機對象作為原型，其中獲取敵機實例的方法getInstance()，其簡單的調用克隆方法得到了一個新的克隆對象（此處省略了一場捕獲代碼），并將其橫坐標重設為傳入的參數，最后返回此克隆對象，這樣我們便可以輕松獲取一駕敵機的克隆實例了

敵機克隆工廠類定義完畢，客戶端代碼就留給讀者自己實踐了。

但需要注意，一定要使用懶加載方式，如此既可以節省內存空間，又可以確保敵機的實例化速度，實現敵機的即時性按需克隆，這樣游戲便再也不會出現卡頓現象了。

3. 復雜對象的克隆?- 深拷貝、淺拷貝

最后，在使用原型模式之前，必須搞清楚深拷貝與淺拷貝這兩個概念，否則會對復雜對象的克隆感到無比困惑

假設，敵機類里有一顆子彈可以發射并擊殺玩家的飛機，那么敵機中則包含一顆實例化好的子彈對象，請參考代碼清單：

public class EnemyPlane implements Cloneable {private Bullet bullet = new Bullet();private int x; // 敵機橫坐標private int y = 0; // 敵機縱坐標// 之后代碼省略……
}

如上代碼，此時如果進行克隆操作，能否將子彈對象一起成功克隆呢？

答案是否定的：

Java中的變量分為原始類型和引用類型，淺拷貝指只復制原始類型的值。而引用類型也會被拷貝，但是這個操作知識拷貝了引用類型的地址引用（指針），也就是說副本敵機與原型敵機中的子彈是同一顆，因為兩個同樣的地址實際指向的內存對象是同一個bullet對象。
需要注意的是，克隆方法中調用父類Objecrt的clone方法進行的是淺拷貝，所以此處的bullet并沒有真正克隆。

public class EnemyPlane implements Cloneable {private Bullet bullet;private int x; // 敵機橫坐標private int y = 0; // 敵機縱坐標public EnemyPlane(int x, Bullet bullet) {this.x = x;this.bullet = bullet;}@Overrideprotected EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {EnemyPlane clonePlane = (EnemyPlane) super.clone(); // 克隆出敵機clonePlane.setBullet(this.bullet.clone()); // 對子彈進行深拷貝return clonePlane;}// 之后代碼省略……
}

如上代碼顯示，首先clone方法中依舊對敵機對象進行克隆操作，緊接著對敵機子彈bullet也進行了克隆，這個就是深拷貝操作。當然，此處要注意對于子彈類Bullet同樣也得實現克隆接口，請讀者自行實現，此處就不再贅述了。

簡而言之：深拷貝會復制對象及其所有嵌套子對象，而淺拷貝只復制對象本身，嵌套子對象仍然引用原對象。