原型模式（原型设计模式）详解

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2022-2-23

编辑推荐:

本文介绍原型模式的定义与特点，结构与实现以及原型模式的应用实例，原型模式的扩展，希望对您的学习有所帮助。
本文来自于语言中文网，由火龙果软件Alice编辑、推荐。

在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效，就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。

原型模式的定义与特点

原型（Prototype）模式的定义如下：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

原型模式的优点：

Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。
可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份，并将其状态保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。

原型模式的缺点：

需要为每一个类都配置一个 clone 方法
clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。
当实现深克隆时，需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。

原型模式的结构与实现

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。

1. 模式的结构

原型模式包含以下主要角色。

抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

其结构图如图 1 所示。

图1 原型模式的结构图

2. 模式的实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下：

//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
Realizetype () {
System . out . println ( "具体原型创建成功！" );
}
public Object clone () throws CloneNotSupportedException {
System . out . println ( "具体原型复制成功！" );
return ( Realizetype ) super . clone ();
}
}
//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
public static void main ( String [] args ) throws CloneNotSupportedException {
Realizetype obj1 = new Realizetype ();
Realizetype obj2 = ( Realizetype ) obj1 . clone ();
System . out . println ( "obj1==obj2?" + ( obj1 == obj2 ));
}
}

程序的运行结果如下：

具体原型创建成功！
具体原型复制成功！
obj1==obj2?false

原型模式的应用实例

【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。

分析：孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空，这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类，而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。

同前面介绍的猪八戒实例一样，由于要显示孙悟空的图像（点击此处下载该程序所要显示的孙悟空的图片），所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类，里面包含了标签，用于保存孙悟空的图像。

另外，重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法，用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空，并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。

图2 孙悟空生成器的结构图

程序代码如下：

import java . awt .*;

import javax . swing .*;

class SunWukong extends JPanel implements Cloneable {

private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L ;

public SunWukong () {

JLabel l1 = new JLabel ( new ImageIcon ( "src/Wukong.jpg" ));

this . add ( l1 );

}

public Object clone () {

SunWukong w = null ;

try {

w = ( SunWukong ) super . clone ();

} catch ( CloneNotSupportedException e ) {

System . out . println ( "拷贝悟空失败!" );

}

return w ;

}

}

public class ProtoTypeWukong {

public static void main ( String [] args ) {

JFrame jf = new JFrame ( "原型模式测试" );

jf . setLayout ( new GridLayout ( 1 , 2 ));

Container contentPane = jf . getContentPane ();

SunWukong obj1 = new SunWukong ();

contentPane . add ( obj1 );

SunWukong obj2 = ( SunWukong ) obj1 . clone ();

contentPane . add ( obj2 );

jf . pack ();

jf . setVisible ( true );

jf . setDefaultCloseOperation ( JFrame . EXIT_ON_CLOSE );

}

}

程序的运行结果如图 3 所示。

图3 孙悟空克隆器的运行结果

用原型模式除了可以生成相同的对象，还可以生成相似的对象，请看以下实例。

【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。

分析：同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同，其他都相同，属于相似对象的复制，同样可以用原型模式创建，然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。

图4 奖状生成器的结构图

程序代码如下：

public class ProtoTypeCitation {
public static void main ( String [] args ) throws CloneNotSupportedException {
citation obj1 = new citation ( "张三" , "同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。" , "韶关学院" );
obj1 . display ();
citation obj2 = ( citation ) obj1 . clone ();
obj2 . setName ( "李四" );
obj2 . display ();
}
}
//奖状类
class citation implements Cloneable {
String name ;
String info ;
String college ;
citation ( String name , String info , String college ) {
this . name = name ;
this . info = info ;
this . college = college ;
System . out . println ( "奖状创建成功！" );
}
void setName ( String name ) {
this . name = name ;
}
String getName () {
return ( this . name );
}
void display () {
System . out . println ( name + info + college );
}
public Object clone () throws CloneNotSupportedException {
System . out . println ( "奖状拷贝成功！" );
return ( citation ) super . clone ();
}
}