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【HeadFirst系列之HeadFirstJava】第18天之深入理解原型模式：从问题到解决方案（含 Java 代码示例）

news 来源：原创 2025/8/15 1:37:30

深入理解原型模式：从问题到解决方案（含 Java 代码示例）

在软件开发中，我们经常需要创建对象，而有些对象的创建成本较高或者结构较为复杂。如何在不破坏封装的前提下，高效地创建对象？ 这正是**原型模式（Prototype Pattern）**要解决的问题。

本篇文章将基于《Head First 设计模式》的内容，深入剖析原型模式的概念、应用场景、优缺点，并结合 JDK 和 Spring 框架的实际应用，提供详细的 Java 代码示例，帮助你掌握这一设计模式的精髓。

📌 1. 什么是原型模式？

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它通过复制（克隆）已有对象来创建新的对象，而不是通过 new 关键字实例化对象。

它的核心思想是原型对象提供一个克隆方法，让客户端在需要创建对象时，直接调用该方法来获取副本。

定义：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

📌 2. 传统对象创建的问题

在实际开发中，我们通常通过 new 关键字创建对象：

Person person1 = new Person("Alice", 25);

但当对象的初始化成本较高时（如涉及数据库查询、复杂计算等），反复 new 一个新对象会影响性能。

比如，一个数据库查询返回的用户对象，如果需要多次创建相同的用户对象，每次都去查询数据库，会造成资源浪费。

原型模式就是为了解决高成本对象的重复创建问题。

📌 3. 原型模式如何解决问题？

原型模式提供了一种对象克隆机制，让我们可以基于一个已有对象创建新对象，而不必重新执行复杂的初始化逻辑。

实现方式：

Java 提供 Cloneable 接口，允许对象通过 clone() 方法复制自身。
通过**浅拷贝（shallow copy）或深拷贝（deep copy）**实现克隆。

📌 4. Java 原型模式代码示例

我们用一个 “用户信息” 示例来演示原型模式。

🎯 1️⃣ 定义一个可克隆的类

class User implements Cloneable {private String name;private int age;public User(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone(); // 浅拷贝}public void showUser() {System.out.println("User: " + name + ", Age: " + age);}
}

clone() 方法调用 super.clone()，表示让 JVM 直接拷贝该对象。

🎯 2️⃣ 进行对象克隆

public class PrototypeDemo {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {User user1 = new User("Alice", 25);User user2 = (User) user1.clone();  // 克隆 user1user1.showUser();user2.showUser();System.out.println("user1 == user2 ? " + (user1 == user2)); // false，表明是两个不同对象}
}

运行结果：

User: Alice, Age: 25
User: Alice, Age: 25
user1 == user2 ? false

✅ 说明： 克隆后的 user2 和 user1 是两个不同的对象，但数据相同。

📌 5. 原型模式的应用场景

✅ 适用于：

创建对象成本较高的场景（如数据库查询、网络请求等）。
对象结构复杂，且需要避免 new 关键字重复创建。
系统需要提供多个类似对象，而彼此之间仅有少量差异。

🚫 不适用于：

类中包含复杂对象引用，且不支持深拷贝时（浅拷贝可能导致共享引用问题）。
对象的克隆逻辑过于复杂，甚至比直接 new 还要耗费性能。

📌 6. 深拷贝 vs 浅拷贝

浅拷贝（Shallow Copy）：仅复制对象的基本属性，对于对象引用类型，仅复制内存地址（原对象和克隆对象共享同一个引用对象）。
深拷贝（Deep Copy）：不仅复制基本属性，还创建新的对象实例，保证克隆后的对象互不影响。

🎯 深拷贝代码实现

class Address implements Cloneable {private String city;public Address(String city) { this.city = city; }@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone();}
}class Person implements Cloneable {private String name;private Address address;public Person(String name, String city) {this.name = name;this.address = new Address(city);}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {Person cloned = (Person) super.clone();cloned.address = (Address) address.clone(); // 深拷贝return cloned;}
}

深拷贝的关键是对引用对象也执行 clone() 方法，确保复制的是一个新的实例，而不是共享同一个对象。

📌 7. JDK 和 Spring 中的应用

🎯 JDK 应用

Object.clone()：Java 语言中的 clone() 方法就是原型模式的体现。
ArrayList.clone()：ArrayList 实现了 Cloneable 接口，可通过 clone() 方法创建副本。

🎯 Spring 框架中的应用

Spring Bean 的原型模式（Prototype Scope）
```
@Bean
@Scope("prototype")
public User user() {return new User("Alice", 25);
}
```
Spring 提供的 prototype 作用域，每次获取 Bean 都会返回一个新实例，这与原型模式的思想一致。

📌 8. 原型模式的优缺点

✅ 优点

提高对象创建效率，避免重复初始化高成本对象。
封装克隆过程，客户端无需关注对象创建细节。
简化对象创建逻辑，减少 new 关键字的使用。

🚫 缺点

对象的拷贝可能涉及复杂的深拷贝逻辑，容易出错。
必须确保所有引用对象都支持克隆，否则容易出现共享引用问题。
Java 的 Cloneable 接口设计较为陈旧，官方推荐使用 序列化 或者 手动拷贝构造函数 来代替 clone() 方法。

📌 9. 总结

原型模式 通过克隆对象代替 new 关键字，适用于高成本对象的创建。
Java 提供 Cloneable 接口支持浅拷贝，深拷贝需要手动实现。
JDK 和 Spring 中都使用了原型模式，例如 clone() 方法、Spring 的 Prototype Scope。

💡 原型模式的核心： “用复制代替创建，提升对象创建效率！” 🚀