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原型模式(Prototype Pattern)

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概覽

• 定義
• 3個角色
  • 代碼示例
• 應用
  • 優點
  • 使用場景
• 案例分析
• 原型模式示例解析：郵件群發

定義

英文原話

Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance, and create new objects by copying this prototype.

直譯

指定要使用原型實例創建的對象類型，并通過復制該原型創建新對象。

3個角色

類圖

1. 抽象原型（Prototype）角色

為具體原型角色定義方法，指定統一標準

2. 具體原型（Concrete Prototype）角色

該角色是被復制的對象，必須實現抽象原型接口。

Java中內置了克隆機制，Object類具有一個clone()方法，能夠實現對象的克隆，使一個類支持克隆需要以下兩步。

• 實現Cloneable接口；

• 覆蓋Object的clone()方法，完成對象的克隆操作，通常只需要調用Object的clone()方法（“淺克隆”-即只復制關聯對象的引用）即可

3. 客戶（Client）角色

該角色提出創建對象的請求。

代碼示例

>>示例源碼<<

1. 抽象原型

抽象原型Prototype接口繼承 Cloneable 接口，以標明該接口的實現類可以被復制，并聲明一個 clone()方法，該clone()方法是對Object類的clone()方法的重寫

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype.proto;/** 實現本接口，表明實現類可以被復制*/
public interface Prototype extends Cloneable {// 克隆方法Prototype clone();
}

2. 具體原型

具體原型ConcretePrototype實現clone()方法。這里調用的父類Object的clone()方法

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype.proto;/** 具體原型ConcretePrototype實現clone()方法*/
public class ConcretePrototype implements Prototype {@Overridepublic Prototype clone() {try {// 此處調用的Object類的clone()方法，并向下轉型為抽象原型類型。// Java中Object提供的clone()方法采用的是“淺”克隆，即只復制關聯對象的引用；// 而不復制關聯對象的數據。如果需要“深”克隆，則需要在覆蓋clone()方法時手動控制克隆的深度。return (Prototype) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {e.printStackTrace();return null;}}
}

3. 被復制的對象的類

提供一個被復制的類，用于測試使用

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype.proto;import lombok.Builder;
import lombok.Data;
import lombok.EqualsAndHashCode;/** 被復制的對象的類*/
@Data
@Builder
@EqualsAndHashCode(callSuper = true)
public class User extends ConcretePrototype {private String name;private Integer age;
}

這里的@Builder是lombok的注解，加上該注解編譯出的class文件中，通過內部類的方式實現了建造者模式。便于用戶方便地創建對象。

（關于建造者模式看上一篇 建造者模式）

@Builder的原理，參考補充知識點：Lombok的@Builder注解原理：建造者模式

4. 客戶端

使用原型類的客戶類

public class Client {// 傳參傳入具體原型類示例，具體原型類實現了抽象原型的clone方法public Prototype operation(Prototype example) {// 得到example的副本Prototype p = example.clone();return p;}
}

5. 測試類

新建了一個用于被復制的user對象，

調用客戶類進行復制，傳入原型類型的對象（User類實現了原型類，通過繼承具體原型類實現的），然后返回一個原型實例，

之后測試了復制對象與原始對象屬性是同一對象，

然后對復制對象的屬性值通過反射進行了獲取與打印

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype.proto;import java.lang.reflect.Field;/*** @author Polaris 2024/5/17*/
public class DemoTest {public static void main(String[] args) {User user = User.builder().name("歷史").age(5000).build();Client client = new Client();Prototype clone = client.operation(user);System.out.println("name屬性是同一個:"+((User)clone).getName().equals(user.getName()));System.out.println("age屬性(>127,非讀緩存值)是同一個："+((User)clone).getAge().equals(user.getAge()));System.out.println("-----------------");Field[] declaredFields = clone.getClass().getDeclaredFields();for (Field declaredField : declaredFields) {Object o;try {String name = declaredField.getName();declaredField.setAccessible(true);o = declaredField.get(clone);System.out.println(name + ":" + o);} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}}}
}/* Output:name屬性是同一個:true
age屬性(>127,非讀緩存值)是同一個：true
-----------------
name:歷史
age:5000*///~

輸出中：克隆前后的對象的屬性指向的是同一個對象。

也印證了：

Java中Object提供的clone()方法采用的是“淺”克隆，即只復制關聯對象的引用

應用

優點

原型模式的優點有以下幾個方面。

1. 性能優良：原型模式是在內存二進制流的復制，要比直接new一個對象性能好，特別是在一個循環體內產生大量的對象時，原型模式可以更好地體現其優點。
2. 逃避構造函數的約束：這既 是優點也是缺點，直接在內存中復制，構造函數是不會執行的，因此減少了約束，需要在實際應用時進行權衡考慮。

使用場景

原型模式的使用場景如下。

1. 資源優化場景，類初始化需要消化非常多的資源，這個資源包括數據、硬件資源等。
2. 性能和安全要求的場景，通過new產生一個對象需要非常煩瑣的數據準備或訪問權限，可以使用原型模式。
3. 一個對象多個修改者的場景，一個對象需要提供給其他對象訪問，而且各個調用者可能都需要修改其值時，可以考慮使用原型模式復制多個對象供調用者使用。
4. [注]：在實際項目中，原型模式很少單獨出現，一般是和工廠方法模式一起出現，通過clone()方法創建一個對象，然后由工廠方法提供給調用者。
   • 注意Java中Object提供的clone()方法采用的是“淺”克隆，即只復制關聯對象的引用，而不復制關聯對象的數據。如果需要“深”克隆，則需要在覆蓋clone()方法時手動控制克隆的深度。

原型模式示例解析：郵件群發

>>示例源碼<<<

本案例是一個對象多個修改者情況：

• 每次發送郵件都是對原始郵件對象克隆然后進行屬性修改
• 原始郵件對象實現了抽象原型接口
• 抽象原型接口繼承Cloneable接口，聲明提供抽象原型類型的clone方法聲明
• 原始郵件類型實現抽象原型類型的clone()方法，用于克隆對象
• 使用Object的克隆方法來克隆郵件類型對象，淺克隆，復制郵件類對象的引用

類圖

1. 抽象原型角色：Prototype.java（接口定義克隆方法）

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype;public interface Prototype extends Cloneable {//克隆方法Prototype clone();
}

2. 具體原型類：Mail.java

創建一個郵件類Mail：

Mail類實現Cloneable接口，并實現了clone()方法，

該方法是實現原型模式的關鍵，只有實現clone()方法，

在應用中才能對Mail進行復制克隆

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype;import lombok.Getter;
import lombok.Setter;public class Mail implements Prototype {//收件人@Getter@Setterprivate String recerver;//郵件標題@Getter@Setterprivate String subject;//稱謂@Getter@Setterprivate String appellation;//郵件內容@Getter@Setterprivate String contxt;//郵件尾部，一般是加上“xxx版權所有”等信息@Getter@Setterprivate String tail;//構造函數public Mail(String subject, String contxt) {this.subject = subject;this.contxt = contxt;}//克隆方法@Overridepublic Prototype clone() {Mail mail = null;try {mail = (Mail) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {e.printStackTrace();}return mail;}
}

3. 測試類

通過郵件的克隆群發演示原型模式

package com.polaris.designpattern.list1.creational.pattern5.prototype;import java.util.Random;public class DemoTest {//發送賬單的數量，這個值從數據庫中獲得的private static int MAX_COUNT = 6;public static void main(String[] args) {//模擬發送郵件int i = 0;//定義一個郵件對象Prototype prototype = new Mail("某商場五一抽獎活動","五一抽獎活動通知：" +"凡在五一期間在本商場購物滿100元的客戶都有貨的抽獎機會！...");((Mail)prototype).setTail("解釋權歸某商場所有");while (i < MAX_COUNT) {//克隆郵件Mail cloneMail = (Mail) prototype.clone();//以下是每封郵件不同的地方cloneMail.setAppellation(getRandomString(5) + " 先生（女士）");cloneMail.setRecerver(getRandomString(5) + "@" + getRandomString(8) + ".com");//發送郵件sendMail(cloneMail);i++;}}//發送郵件public static void sendMail(Mail mail) {System.out.println("標題：" + mail.getSubject() +"\t收件人：" + mail.getRecerver() + "\t...發送成功！");}//獲取指定長度的隨機字符串public static String getRandomString(int maxLength) {String souce = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz" +"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";StringBuilder sb = new StringBuilder();Random random = new Random();for (int i = 0; i < maxLength; i++) {sb.append(souce.charAt(random.nextInt(souce.length())));}return sb.toString();}
}/* Output:
標題：某商場五一抽獎活動	收件人：TEDiM@LXFeyNdU.com	...發送成功！
標題：某商場五一抽獎活動	收件人：qyOWv@wieXPRga.com	...發送成功！
標題：某商場五一抽獎活動	收件人：wMloC@IgFOzjBh.com	...發送成功！
標題：某商場五一抽獎活動	收件人：hrDGv@HAjpARpN.com	...發送成功！
標題：某商場五一抽獎活動	收件人：lyWwt@cLdWntpC.com	...發送成功！
標題：某商場五一抽獎活動	收件人：ZVeap@HZlYxaCe.com	...發送成功！
*///~

補充知識點

Lombok的@Builder注解原理：建造者模式

1. 先說下用法

通過下面的鏈式調用方式，可以非常方便的得到一個需要的user對像

User user = User.builder().name("歷史").age(5000).build();

2. 原理分析

以下是標記了@Builder注解后，編譯出的類文件中看到增加了以下代碼：

public class User extends ConcretePrototype {private String name;private Integer age;User(String name, Integer age) {this.name = name;this.age = age;}public static User.UserBuilder builder() {return new User.UserBuilder();}public static class UserBuilder {private String name;private Integer age;UserBuilder() {}public User.UserBuilder name(String name) {this.name = name;return this;}public User.UserBuilder age(Integer age) {this.age = age;return this;}public User build() {return new User(this.name, this.age);}public String toString() {return "User.UserBuilder(name=" + this.name + ", age=" + this.age + ")";}}
}

通過標記了@Builder注解的類調用類方法builder()方法，這里創建了一個內部類UserBuilder對象

接下來就是構造者模式的實現：

內部類UserBuilder就是建造者角色，

User類的內部類UserBuilder的屬性和User類的屬性完全一樣，然后提供了對這些屬性配置的方法，且每個方法都會將該實例返回，這樣就可以進行鏈式調用。

最后提供了一個build()方法，將內部類的屬性賦值給User類的構造函數，來構造User類實例，返回給客戶端。

這就是建造者模式的具體應用。

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