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设计模式之原型模式

钝悟...大约 6 分钟设计设计模式设计设计模式

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

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  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。

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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。

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

参考资料

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