设计模式之原型模式

意图

原型模式（Prototype）是一种创建型设计模式， 使你能够复制已有对象， 而又无需使代码依赖它们所属的类。

原型模式主要用于对象的复制，它的核心是就是类图中的原型类 Prototype。Prototype 类需要具备以下两个条件：

• 实现 Cloneable 接口。在 java 语言有一个 Cloneable 接口，它的作用只有一个，就是在运行时通知虚拟机可以安全地在实现了此接口的类上使用 clone 方法。在 java 虚拟机中，只有实现了这个接口的类才可以被拷贝，否则在运行时会抛出 CloneNotSupportedException 异常。
• 重写 Object 类中的 clone 方法。Java 中，所有类的父类都是 Object 类，Object 类中有一个 clone 方法，作用是返回对象的一个拷贝，但是其作用域 protected 类型的，一般的类无法调用，因此，Prototype 类需要将 clone 方法的作用域修改为 public 类型。

浅拷贝与深拷贝

浅拷贝是指当对象的字段值被复制时，字段引用的对象不会被复制。

例如：如果一个对象有一个指向字符串的字段，并且我们对该对象做了一个浅拷贝，那麽两个对象将引用同一个字符串。

深拷贝是指当一个类拥有资源，当这个类的对象发生复制过程的时候，资源重新分配，这个过程就是深拷贝。

适用场景

• 如果你需要复制一些对象， 同时又希望代码独立于这些对象所属的具体类， 可以使用原型模式。
• 如果子类的区别仅在于其对象的初始化方式， 那么你可以使用该模式来减少子类的数量。 别人创建这些子类的目的可能是为了创建特定类型的对象。

结构

1. 原型 （Prototype） 接口将对克隆方法进行声明。 在绝大多数情况下， 其中只会有一个名为 clone克隆的方法。
2. 具体原型 （Concrete Prototype） 类将实现克隆方法。 除了将原始对象的数据复制到克隆体中之外， 该方法有时还需处理克隆过程中的极端情况， 例如克隆关联对象和梳理递归依赖等等。
3. 客户端 （Client） 可以复制实现了原型接口的任何对象。

伪代码

在本例中， 原型模式能让你生成完全相同的几何对象副本， 同时无需代码与对象所属类耦合。

所有形状类都遵循同一个提供克隆方法的接口。 在复制自身成员变量值到结果对象前， 子类可调用其父类的克隆方法。

// 基础原型。
abstract class Shape is
    field X: int
    field Y: int
    field color: string

    // 常规构造函数。
    constructor Shape() is
        // ...

    // 原型构造函数。使用已有对象的数值来初始化一个新对象。
    constructor Shape(source: Shape) is
        this()
        this.X = source.X
        this.Y = source.Y
        this.color = source.color

    // clone（克隆）操作会返回一个形状子类。
    abstract method clone():Shape


// 具体原型。克隆方法会创建一个新对象并将其传递给构造函数。直到构造函数运
// 行完成前，它都拥有指向新克隆对象的引用。因此，任何人都无法访问未完全生
// 成的克隆对象。这可以保持克隆结果的一致。
class Rectangle extends Shape is
    field width: int
    field height: int

    constructor Rectangle(source: Rectangle) is
        // 需要调用父构造函数来复制父类中定义的私有成员变量。
        super(source)
        this.width = source.width
        this.height = source.height

    method clone():Shape is
        return new Rectangle(this)


class Circle extends Shape is
    field radius: int

    constructor Circle(source: Circle) is
        super(source)
        this.radius = source.radius

    method clone():Shape is
        return new Circle(this)


// 客户端代码中的某个位置。
class Application is
    field shapes: array of Shape

    constructor Application() is
        Circle circle = new Circle()
        circle.X = 10
        circle.Y = 10
        circle.radius = 20
        shapes.add(circle)

        Circle anotherCircle = circle.clone()
        shapes.add(anotherCircle)
        // 变量 `anotherCircle（另一个圆）`与 `circle（圆）`对象的内
        // 容完全一样。

        Rectangle rectangle = new Rectangle()
        rectangle.width = 10
        rectangle.height = 20
        shapes.add(rectangle)

    method businessLogic() is
        // 原型是很强大的东西，因为它能在不知晓对象类型的情况下生成一个与
        // 其完全相同的复制品。
        Array shapesCopy = new Array of Shapes.

        // 例如，我们不知晓形状数组中元素的具体类型，只知道它们都是形状。
        // 但在多态机制的帮助下，当我们在某个形状上调用 `clone（克隆）`
        // 方法时，程序会检查其所属的类并调用其中所定义的克隆方法。这样，
        // 我们将获得一个正确的复制品，而不是一组简单的形状对象。
        foreach (s in shapes) do
            shapesCopy.add(s.clone())

        // `shapesCopy（形状副本）`数组中包含 `shape（形状）`数组所有
        // 子元素的复制品。

案例

使用示例： Java 的 Cloneable （可克隆） 接口就是立即可用的原型模式。

任何类都可通过实现该接口来实现可被克隆的性质。

• java.lang.Object#clone() （类必须实现 java.lang.Cloneable 接口）

识别方法： 原型可以简单地通过 clone或 copy等方法来识别。

与其他模式的关系

• 在许多设计工作的初期都会使用工厂方法模式 （较为简单， 而且可以更方便地通过子类进行定制）， 随后演化为使用抽象工厂模式、 原型模式或生成器模式 （更灵活但更加复杂）。
• 抽象工厂模式通常基于一组工厂方法， 但你也可以使用原型模式来生成这些类的方法。
• 原型可用于保存命令模式的历史记录。
• 大量使用组合模式和装饰模式的设计通常可从对于原型的使用中获益。 你可以通过该模式来复制复杂结构， 而非从零开始重新构造。
• 原型并不基于继承， 因此没有继承的缺点。 另一方面， 原型需要对被复制对象进行复杂的初始化。 工厂方法基于继承， 但是它不需要初始化步骤。
• 有时候原型可以作为备忘录模式的一个简化版本， 其条件是你需要在历史记录中存储的对象的状态比较简单， 不需要链接其他外部资源， 或者链接可以方便地重建。
• 抽象工厂、 生成器和原型都可以用单例模式来实现。

参考资料

• 《Head First 设计模式》
• 《大话设计模式》
• 设计模式教程