【Java笔记+踩坑】设计模式——原型模式

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目录

零、经典的克隆羊问题(复制10只属性相同的羊)

一、传统方案:循环new对象

1.1 实现方案

1.2 优缺点和改进思路 

二、原型模式(Prototype模式)

2.1 基本介绍

2.2 原理

2.2.1 UML图:原型接口、具体原型类、客户端代码

2.2.2 代码演示

2.3 原型模式解决克隆羊问题

2.4 优缺点和使用场景 

2.4.1 优点

2.4.2 缺点

2.4.3 适用场景

三、扩展

3.1 Spring源码中的原型模式:ApplicationContext类的getBean()方法

3.2 浅拷贝和深拷贝

3.2.1 浅拷贝:引用类型变量拷贝引用

3.2.2 深拷贝:引用类型变量拷贝值


零、经典的克隆羊问题(复制10只属性相同的羊)

问题描述:现在有一只羊,姓名为 Tom,年龄为 1,颜色为白色,请编写程序创建和 Tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

一、传统方案:循环new对象

1.1 实现方案

羊类:

public class Sheep {private String name;private Integer age;public Sheep(String name, Integer age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public Integer getAge() {return age;}public void setAge(Integer age) {this.age = age;}
}

克隆羊:

public class Client {public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");System.out.println(sheep);}}
}

1.2 优缺点和改进思路 

传统方法优点

  • 好理解,简单易操作

缺点:

  • 每次获取再复制效率低:在创建新的对象时,总是需要重新获取原始对象的属性,如果创建的对象比较复杂时,效率较低
  • 不灵活:总是需要重新初始化对象,而不是动态地获得对象运行时的状态,不够灵活

改进的思路分析:Object 类的 clone() 方法

Object 类是所有类的根类,Object 类提供了一个 clone 方法,该方法可以将一个 Java 对象复制一份,但是对应的类必须实现Cloneable接口,该接口表示该类能够复制且具有复制的能力 ==> 原型模式

二、原型模式(Prototype模式)

2.1 基本介绍

原型模式(Prototype 模式):原型实例指定创建对象种类,并通过拷贝原型创建新的对象

原型模式是一种创建型设计模式,允许一个对象再创建另外一个可定制的对象,无需知道如何创建的细节。

原理:将一个原型对象传给要发动创建的对象,这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建,即对象.clone()

形象的理解:孙大圣拔出猴毛,变出其它孙大圣

创建型设计模式:关注如何有效地创建对象,以满足不同的需求和情境。

包括:单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式

2.2 原理

2.2.1 UML图:原型接口、具体原型类、客户端代码

  • Prototype:原型类。包含一个用于复制对象的克隆方法。可以使用Cloneable接口作为原型接口。
  • ConcretePrototype:具体原型类。实现原型接口、重写克隆方法clone()的具体类。
  • Client:让一个原型对象克隆自己,创建一个属性相同的对象

2.2.2 代码演示

原型接口: 可以是Cloneable接口也可以是自定义带clone()方法的接口

// 步骤1:定义原型接口
interface Prototype extends Cloneable {Prototype clone();
}

具体原型类: 

// 步骤2:实现具体原型类
class ConcretePrototype implements Prototype {@Overridepublic Prototype clone() {try {return (Prototype) super.clone(); // 使用浅拷贝} catch (CloneNotSupportedException e) {e.printStackTrace();return null;}}
}

客户端代码: 通过clone()方法创建原型对象

// 步骤3:客户端代码
public class Client {public static void main(String[] args) {
//创建具体类对象ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype();
//通过clone方法创建对象ConcretePrototype clonedObject = (ConcretePrototype) prototype.clone();}
}

2.3 原型模式解决克隆羊问题

问题回顾:

 现在有一只羊,姓名为 Tom,年龄为 1,颜色为白色,请编写程序创建和 Tom 羊属性完全相同的 10 只羊。

UML 类图

原型接口:Cloneable接口。

具体原型类:实现Cloneable接口

@Data
public class Sheep implements Cloneable {private String name;private Integer age;private String color;public Sheep(String name, Integer age, String color) {this.name = name;this.age = age;this.color = color;}@Overrideprotected Object clone() {Sheep sheep = null;try {sheep = (Sheep) super.clone();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return sheep;}
}

客户端: 调用具体原型类的clone()方法创建10个对象

public class Client {public static void main(String[] args) {Sheep sheep = new Sheep("Tom", 1, "白色");for (int i = 0; i < 10; i++) {Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();System.out.println(sheep1);}}
}

2.4 优缺点和使用场景 

2.4.1 优点

  • 构造方法复杂时开销小:如果构造函数的逻辑很复杂,此时通过new创建该对象会比较耗时,那么就可以尝试使用克隆来生成对象。
  • 运行时动态创建对象:不用重新初始化对象,而是动态地获得对象运行时的状态
  • 开闭原则(OCP原则):如果原始对象发生变化(增加或者减少属性),其它克隆对象的也会发生相应的变化,无需更改客户端代码。相反,如果使用new方式,就需要在客户端修改构造参数。这使得系统更加灵活和可维护。
  • 对象封装性:原型模式可以帮助保护对象的封装性,因为客户端代码无需了解对象的内部结构,只需知道如何克隆对象。
  • 多态性:原型模式支持多态性,因为克隆操作可以返回具体子类的对象,而客户端代码不需要关心对象的具体类。

扩展:

开闭原则(OCP原则):代码对修改关闭,对扩展开放。

2.4.2 缺点

  • 构造方法简单时开销大:如果构造函数的逻辑很简单,原型模式的效率不如new,因为JVM对new做了相应的性能优化。
  • //验证构造方法简单时,原型模式开销大long startTime = System.currentTimeMillis();Student student = new Student();//克隆循环十万次for (int i = 0; i < 100000; i++) {student.clone();}long midTime = System.currentTimeMillis();
    //20msSystem.out.println("克隆生成对象耗费的时间:" + (midTime - startTime) + "ms");//new10万次for (int i = 0; i < 100000; i++) {new Student();}
    //5msSystem.out.println("new生成对象耗费的时间:" + (System.currentTimeMillis() - midTime) + "ms");
    
  • 要注意深拷贝和浅拷贝问题:实现Cloneable接口时,如果具体原型类直接返回super.clone(),则是浅拷贝。克隆的对象里,引用类型变量只拷贝引用,依然指向旧的地址。
  • 代码复杂性:在实现深拷贝的时候可能需要比较复杂的代码。设计模式一般都是以代码复杂性为代价,提高可扩展性、可读性。

2.4.3 适用场景

  1. 构造方法复杂:要创建的对象构造方法逻辑很复杂,即创建新的对象比较复杂时,使用原型模式会比直接new效率更高;
  2. 经常需要克隆:经常要创建一个和原对象属性相同的对象时,可以考虑原型模式。

三、扩展

3.1 Spring源码中的原型模式:ApplicationContext类的getBean()方法

Spring 框架Bean的生命周期中,ApplicationContext类的getBean()方法中,有用到原型模式。

获取Bean时会判断配置的Bean是单例还是原型,如果是原型,则用原型模式创建Bean。

验证:bean指定原型模式后,getBean()获取到的多个Bean是不同对象。


@Component("id01")
@Scope("prototype")
public class Monster {private String name;private int health;public Monster() {// 默认构造函数}public Monster(String name, int health) {this.name = name;this.health = health;}// 添加其他属性和方法
}

也可以用xml形式注册Bean:

<!-- 这里我们使用scope="prototype"即 原型模式来创建 -->
<bean id="id01" class="com.atquigu.spring.bean.Monster" scope="prototype"/>
</beans>

测试: 

public class ProtoType {public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");// 通过ID获取MonsterObject bean = applicationContext.getBean("id01");System.out.println("bean: " + bean); // 输出“牛魔王"....Object bean2 = applicationContext.getBean("id01");System.out.println("bean2: " + bean2); // 输出“牛魔王"....System.out.println(bean == bean2); // false}
}

注解方式是@Scope("prototype")。

回顾:

手写Spring源码(简化版)-CSDN博客

3.2 浅拷贝和深拷贝

3.2.1 浅拷贝:引用类型变量拷贝引用

  • 浅拷贝:拷贝后对象是新地址,基本类型变量拷贝值,引用类型变量拷贝引用。只复制某个对象的引用,而不复制对象本身,新旧对象还是共享同一块内存。
  • 深拷贝:拷贝后对象是新地址,基本类型变量拷贝值,引用类型变量拷贝克隆后的值。创造一个一摸一样的对象,新对象和原对象不共享内存,修改新对象不会改变原对对象。反序列化创建对象是深拷贝。

实现方案:具体原型类直接返回super.clone()

实现Cloneable 接口,重写 clone()方法, 直接返回super.clone()。

public class Person implements Cloneable {    //虽然clone()是Object类的方法,但Java规定必须得实现一下这个接口public int age;//基本类型变量拷贝值public Person(int age) {this.age = age;}@Overridepublic Person clone() {try {return (Person) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {return null;}}public static void main(String[] args) {Person p1 = new Person(18);Person p2 = p1.clone();    //p2将是p1浅拷贝的对象p2.age = 20;System.out.println(p1 == p2); // false。拷贝后对象是新地址System.out.println(p1.age); // 18。基本类型变量拷贝值}
}

3.2.2 深拷贝:引用类型变量拷贝值

深拷贝:拷贝后对象是新地址,基本类型变量拷贝值,引用类型变量拷贝克隆后的值。创造一个一摸一样的对象,新对象和原对象不共享内存,修改新对象不会改变原对对象。反序列化创建对象是深拷贝。 

实现方案:具体原型类专门克隆引用类型变量

实现Cloneable 接口,重写 clone()方法, 给super.clone()的引用类型成员变量也clone()一下,然后再返回克隆的对象。 

public class Person implements Cloneable {public int age;//基本类型变量拷贝值public int[] arr = new int[] {1, 2, 3};public Person(int age) {this.age = age;}@Overridepublic Person clone() {try {Person person = (Person) super.clone();person.arr = this.arr.clone(); // 用引用类型的 clone 方法,引用类型变量拷贝克隆后的值return person;} catch (CloneNotSupportedException e) {return null;}}
}

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