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二十三种设计模式-原型模式

news 来源：原创 2025/5/7 3:41:46

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它通过拷贝现有的实例来创建新的实例，而不是通过新建实例。这种方式可以避免复杂的构造过程，同时还能保持对象的创建和使用分离，提高系统的灵活性和扩展性。

了解原型模式之前需要先搞懂浅拷贝和深拷贝。

浅拷贝指的是创建一个新对象，然后将原对象的非静态字段复制到新对象中。如果字段是基本数据类型，那么直接复制其值；如果字段是对象引用，则复制引用本身，而不是引用的对象。这意味着新对象和原对象的引用字段指向同一个对象。

深拷贝意味着不仅要复制对象本身，还要复制对象中所有引用的对象，以及这些引用对象中引用的其他对象，直到所有相关对象都被复制。

另外java中有一些特殊的引用类型（不可变对象），如下。这些引用类型创建的对象是不可变对象，在拷贝是都是理解成是一种深拷贝。

在Java中，不可变对象是指一旦创建后，其状态（即对象的字段值）就不能被改变的对象。不可变对象具有线程安全性、可缓存性和可共享性等优点。以下是一些常见的不可变引用类型对象：基本数据类型的包装类
Integer
Byte
Short
Long
Float
Double
Character
Boolean
这些包装类都是基本数据类型的对应引用类型。它们是不可变的，因为它们的值一旦被设置，就不能被改变。例如，当你对一个Integer对象进行加法运算时，实际上会创建一个新的Integer对象来表示新的值，而不是修改原来的对象。字符串类
String
String类是Java中最常用的不可变类之一。字符串对象一旦被创建，其内容就不能被改变。例如，当你使用+操作符连接两个字符串时，会创建一个新的字符串对象，而不是修改原来的字符串对象。原子类
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicBoolean
其他java.util.concurrent.atomic包中的原子类
这些原子类提供了对基本数据类型的安全操作，它们是不可变的，因为它们的值只能通过原子操作来更新，而不是直接修改对象的状态。其他不可变类
BigDecimal 和 BigInteger
这些类用于表示任意精度的数值。它们是不可变的，因为每次进行数学运算时，都会返回一个新的对象来表示结果，而不是修改原来的对象。java.time包中的日期和时间类
例如：LocalDate
LocalTime
LocalDateTime
ZonedDateTime
Duration
Period
这些类是Java 8引入的新的日期和时间API的一部分。它们都是不可变的，每次进行日期或时间的修改操作时，都会返回一个新的对象。不可变对象的设计原则
要设计一个不可变对象，通常需要遵循以下原则：所有字段都是final的：确保字段一旦被初始化，就不能被改变.
不提供修改字段值的方法：不提供任何可以修改对象状态的方法.
确保对象的所有字段都是不可变的：如果对象的字段是引用类型，确保这些引用类型也是不可变的.
如果需要提供访问字段的方法，返回字段的副本而不是引用：例如，对于包含可变对象的字段，返回字段的副本，以防止外部代码修改对象的状态.
通过设计不可变对象，可以提高程序的安全性和可维护性，特别是在多线程环境中.

原型模式核心概念

原型（Prototype）：声明一个克隆自身的接口，用于创建当前对象的副本。在Java中，通常通过实现Cloneable接口并重写clone()方法来实现原型模式。
具体原型（ConcretePrototype）：实现原型接口，提供具体的克隆实现，生成自己的副本。

实现步骤

实现Cloneable接口：让类实现Cloneable接口，表示该类的对象可以被克隆。
重写clone()方法：在类中重写Object类的clone()方法，以实现深拷贝或浅拷贝。
创建原型对象：创建一个原型对象，作为后续克隆的模板。
克隆原型对象：通过调用原型对象的clone()方法，创建新的对象实例.

示例代码

以下是一个简单的Java示例，展示如何使用原型模式：

import java.util.Date;// 具体原型类
class Resume implements Cloneable {private String name;private String sex;private String age;private Date birthDate; // 假设包含日期对象public Resume(String name, String sex, String age) {this.name = name;this.sex = sex;this.age = age;this.birthDate = new Date(); // 初始化日期对象}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {// 实现深拷贝//super.clone()是调用Object类的clone()方法，它会创建一个新的对象，并将原对象的字段值复制到新对象中。对于基本数据类型的字段，值会被直接复制；而对于引用类型的字段，复制的是引用本身，而不是引用所指向的对象. 这一步本身是浅拷贝.Resume clonedResume = (Resume) super.clone();clonedResume.birthDate = (Date) this.birthDate.clone();return clonedResume;}@Overridepublic String toString() {return "Resume{" +"name='" + name + '\'' +", sex='" + sex + '\'' +", age='" + age + '\'' +", birthDate=" + birthDate +'}';}
}public class PrototypePatternDemo {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {Resume originalResume = new Resume("John Doe", "Male", "30");System.out.println("Original Resume: " + originalResume);Resume clonedResume = (Resume) originalResume.clone();System.out.println("Cloned Resume: " + clonedResume);}
}

优缺点

优点：
- 性能优势：通过拷贝现有对象，避免了复杂的构造过程，特别是在对象创建过程中需要进行大量数据计算或资源获取时.
- 代码简洁：简化了对象的创建代码，使得代码更加简洁和易于维护.
缺点：
- 实现复杂：需要实现深拷贝，对于包含复杂对象引用的类，实现起来可能比较复杂.
- 对类的约束：需要实现Cloneable接口，并且所有涉及的对象都需要支持拷贝操作，这可能对类的设计有一定的约束.

适用场景

当一个系统应该独立于其产品的创建、组合和表示时.
当需要通过动态指定创建对象的类别、数目和初始化参数时.
当对象的创建过程复杂，且需要避免重复创建大量相似对象时.

原型模式核心概念

实现步骤

示例代码

优缺点

适用场景

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