设计模式-原型模式

设计模式专栏

模式介绍

原型模式是一种创建型设计模式，它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。这种模式的工作原理是通过将一个原型对象传给要创建对象的客户端，这个客户端通过请求原型对象复制自身来实施创建。

原型模式包括以下角色：

Prototype（抽象原型类）：声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，它可以是抽象类也可以是接口，甚至还可以是具体实现类。
ConcretePrototype（具体原型类）：它实现在抽象原型类中声明的克隆方法，在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
Client（客户类）：在客户类中，让一个原型对象通过克隆自身得到一个新的对象。

原型模式在软件开发中有较高的使用频率，很多软件提供的复制（Ctrl+C）和粘贴（Ctrl+V）就是原型模式的典型应用。

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模式特点

原型模式的特点主要表现在以下几个方面：

1. 由原型模型对象自身创建目标对象，即对象创建这一动作发自原型对象本身。
1. 目标对象是原型对象的一个克隆，也就是说，通过Prototype模式创建的对象，不仅仅与原型对象具有相同的结构，还与原型对象具有相同值。
1. 根据对象克隆深度层次的不同，有浅度克隆与深度克隆。在原型模式中，如果对象中引用了其他对象，那么这个引用对象不能被克隆，除非深度复制。

原型模式用来优化工厂方法模式是非常好的。工厂方法模式每一个产品对象对应一个工厂，如果其中很多产品是相似的，那就会多出很多不必要的工厂。用原型模式复制一个产品，然后改变一下其中某些属性，就成为了一个新的产品，这样会特别省事省代码还提高性能。

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应用场景

原型模式的应用场景主要包括：

创建新对象成本较大，如初始化需要占用较长的时间，占用太多的CPU资源或网络资源。原型模式允许通过复制已有对象来创建新对象，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。

在原型模式的应用场景中，除了之前提到的优化资源消耗、提升性能和简化对象创建过程外，还有以下需要注意的问题：

深拷贝和浅拷贝的使用需要事先考虑周到。在原型模式中，如果对象中引用了其他对象，那么这个引用对象不能被克隆，除非深度复制。深度复制意味着所有的嵌套对象也要被复制，而不仅仅是顶级对象。因此，在使用原型模式时，需要考虑是否需要进行深度复制，以避免出现意外的数据共享问题。
某些编程语言中，拷贝会影响到静态变量和静态函数的使用。如果在原型模式中使用静态变量或静态函数，需要特别注意拷贝过程中可能出现的问题。
对象的拷贝可能会引发安全问题。例如，如果原对象持有敏感信息（如密码、密钥等），则其拷贝也可能包含这些信息，因此需要谨慎处理。
对象的拷贝可能并不是完全独立的。即使使用深拷贝，新对象和原始对象也可能仍然共享某些资源（如文件句柄、网络连接等），这意味着一个对象的修改可能会影响到另一个对象。因此，在使用原型模式时，需要确保对象的独立性。

原型模式的应用场景需要考虑多方面的因素，包括对象的复杂性、拷贝的深度、静态变量和函数的使用、安全问题以及对象的独立性等。在实际应用中，需要根据具体情况来选择合适的解决方案。以上信息仅供参考，建议咨询专业人士获取更准确的信息。

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深拷贝与浅拷贝在原型模式的应用

在原型模式中，深拷贝和浅拷贝的应用是不同的。

浅拷贝在原型模式中主要用于复制对象的基本数据类型，对于引用数据类型，浅拷贝只会复制对象的引用地址，而不会复制对象所引用的对象。这意味着新旧对象指向同一个内存地址，修改其中一个对象的值，另一个对象的值也会随之改变。

深拷贝则不同，它不仅会复制对象的基本数据类型，同时还会复制对象所引用的对象。这意味着在复制过程中，会为每一个嵌套的对象都创建一个新的内存空间，并在新的内存空间里复制一个一模一样的对象。因此，新老对象不共享内存，修改其中一个对象的值，不会影响另一个对象。

深拷贝相比于浅拷贝速度较慢并且花销较大，因为它需要复制更多的内存空间和对象。因此，在原型模式中，是否使用深拷贝需要根据具体情况来决定。

总的来说，浅拷贝和深拷贝在原型模式中都是用于创建对象的拷贝，但它们在复制对象时的方式有所不同。根据实际需求和情况选择合适的拷贝方式可以提高性能和避免一些潜在问题。

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代码示例

Java实现原型模式

Java中使用深拷贝和浅拷贝的原型模式示例代码：

浅拷贝示例：

public class Person implements Cloneable {
   
    private String name;
    private Address address;

    // 省略构造函数、getter和setter方法

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
   
        return super.clone();
    }
}

public class Address {
   
    private String street;
    private String city;

    // 省略构造函数、getter和setter方法
}

public class Client {
   
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
   
        Person person = new Person("Alice", new Address("123 Main St", "Anytown"));
        Person clonedPerson = (Person) person.clone();
        clonedPerson.getAddress().setCity("Othertown");
        System.out.println(person.getAddress().getCity()); // 输出 "Othertown"
    }
}

在上面的示例中，Person类实现了Cloneable接口，并重写了clone()方法。在Client类中，我们创建了一个Person对象，并使用clone()方法创建了一个浅拷贝的副本。然后，我们修改了副本的地址城市，并打印原始对象的地址城市。由于使用了浅拷贝，所以原始对象的地址城市也被修改了。

深拷贝示例：

import java.io.*;

public class Person implements Serializable {
   
    private String name;
    private Address address;

    // 省略构造函数、getter和setter方法
}

public class Address implements Serializable {
   
    private String street;
    private String city;

    // 省略构造函数、getter和setter方法
}

public class DeepCopy {
   
    public static Object deepCopy(Object obj) throws IOException, ClassNotFoundException {
   
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
        oos.writeObject(obj);
        oos.flush();
        oos.close();
        baos.close();

        byte[] bytes = baos.toByteArray();
        ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(bytes);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
        return ois.readObject();
    }
}

public class Client {
   
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
   
        Person person = new Person("Alice", new Address("123 Main St", "Anytown"));
        Person clonedPerson = (Person) DeepCopy.deepCopy(person);
        clonedPerson.getAddress().setCity("Othertown");
        System.out.println(person.getAddress().getCity()); // 输出 "Anytown"
    }
}

在上面的示例中，我们使用了序列化和反序列化的方式来实现深拷贝。Person和Address类都实现了Serializable接口，以便能够被序列化。DeepCopy类中的deepCopy()方法使用了字节数组流和对象输入输出流来实现深拷贝。在Client类中，我们创建了一个Person对象，并使用deepCopy()方法创建了一个深拷贝的副本。然后，我们修改了副本的地址城市，并打印原始对象的地址城市。由于使用了深拷贝，所以原始对象的地址城市没有被修改。

python实现原型模式

以下是Python实现原型模式的示例代码：

class Prototype:
    def clone(self):
        raise NotImplementedError("Subclass must implement this method")

class ConcretePrototype(Prototype):
    def clone(self):
        clone = self.__class__()
        clone.name = self.name
        clone.value = self.value
        return clone

class Client:
    def __init__(self):
        self.prototype = ConcretePrototype()
        self.prototype.name = "ConcretePrototype"
        self.prototype.value = 100

    def create_object(self):
        new_object = self.prototype.clone()
        new_object.value += 1
        new_object.name += " (clone)"
        return new_object

在这个示例中，Prototype是抽象原型类，ConcretePrototype是具体原型类，实现了clone()方法来创建自己的副本。Client类使用原型模式来创建对象。首先，它创建一个原型对象并设置其属性和值。然后，它使用create_object()方法来创建一个新的对象，该方法通过调用原型对象的clone()方法来创建一个新的实例，并修改其属性和值。

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原型模式在spring中的应用

在Spring框架中，原型模式主要用于管理Bean的生命周期和作用域。Spring中的Bean默认是单例的，即在整个应用中只有一个实例，但有时我们需要每次请求都使用一个新的对象，这时就可以使用原型模式。

具体来说，Spring中的原型模式应用主要体现在以下几个方面：

原型Bean的作用域：Spring中的Bean可以有不同的作用域，包括单例（singleton）、原型（prototype）、请求（request）、会话（session）和全局会话（global session）。当我们把一个Bean的作用域设置为原型时，Spring每次都会为我们创建一个新的Bean实例。
注入原型Bean：如果一个Bean被标记为原型，那么每次注入或者通过Spring容器获取这个Bean时，都会得到一个新的实例。
原型Bean的初始化：对于原型作用域的Bean，它们的初始化和销毁生命周期与单例Bean不同。因为原型Bean每次使用时都会创建一个新的实例，所以它们的初始化方法会在每次创建新实例时调用。
与单例Bean的交互：原型Bean可以和单例Bean一起使用。例如，一个单例Bean可以持有一个对原型Bean的引用，并在需要时获取一个新的实例。

以下是在Spring中配置一个原型Bean的示例：

<bean id="prototypeBean" class="com.example.PrototypeBean" scope="prototype">
    <!-- bean的配置 -->
</bean>

或者，如果你使用Java配置：

@Configuration
public class AppConfig {
   
    @Bean
    @Scope("prototype")
    public PrototypeBean prototypeBean() {
   
        return new PrototypeBean();
    }
}