Java设计模式 -2- 原型设计模式
Java设计模式 -2- 原型设计模式
- 前言
- 原型模式的定义与特点
- 原型模式的优点:
- 原型模式的缺点:
- 原型模式的结构与实现
- 1. 模式的结构
- 2. 模式的实现
- 原型模式的应用实例
- 原型模式的应用场景
- 原型模式的扩展
前言
创建型模式的主要关注点是“怎样创建对象?”,它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。这样可以降低系统的耦合度,使用者不需要关注对象的创建细节,对象的创建由相关的工厂来完成。就像我们去商场购买商品时,不需要知道商品是怎么生产出来一样,因为它们由专门的厂商生产。
创建型模式分为以下几种。
- 单例(Singleton)模式:某个类只能生成一个实例,该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例,其拓展是有限多例模式。
- 原型(Prototype)模式:将一个对象作为原型,通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。
- 工厂方法(FactoryMethod)模式:定义一个用于创建产品的接口,由子类决定生产什么产品。
- 抽象工厂(AbstractFactory)模式:提供一个创建产品族的接口,其每个子类可以生产一系列相关的产品。
- 建造者(Builder)模式:将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分,然后根据不同需要分别创建它们,最后构建成该复杂对象。
以上 5 种创建型模式,除了工厂方法模式属于类创建型模式,其他的全部属于对象创建型模式,我们将在之后的教程中详细地介绍它们的特点、结构与应用。
现实生活中,原始社会自给自足(没有工厂),农耕社会小作坊(简单工厂,民间酒坊),工业革命流水线(工厂方法,自产自销),现代产业链代工厂(抽象工厂,富士康)。我们的项目代码同样是由简到繁一步一步迭代而来的,但对于调用者来说,却越来越简单。在日常开发中,凡是需要生成复杂对象的地方,都可以尝试考虑使用工厂模式来代替。
在有些系统中,存在大量相同或相似对象的创建问题,如果用传统的构造函数来创建对象,会比较复杂且耗时耗资源,用原型模式生成对象就很高效,就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。
原型模式的定义与特点
原型(Prototype)模式的定义如下:用一个已经创建的实例作为原型,通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里,原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效,根本无须知道对象创建的细节。例如,Windows 操作系统的安装通常较耗时,如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多,这里不一一列举了。
原型模式的优点:
- Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制,在性能上比直接 new 一个对象更加优良。
- 可以使用深克隆方式保存对象的状态,使用原型模式将对象复制一份,并将其状态保存起来,简化了创建对象的过程,以便在需要的时候使用(例如恢复到历史某一状态),可辅助实现撤销操作。
原型模式的缺点:
- 需要为每一个类都配置一个 clone 方法
- clone 方法位于类的内部,当对已有类进行改造的时候,需要修改代码,违背了开闭原则。
- 当实现深克隆时,需要编写较为复杂的代码,而且当对象之间存在多重嵌套引用时,为了实现深克隆,每一层对象对应的类都必须支持深克隆,实现起来会比较麻烦。因此,深克隆、浅克隆需要运用得当。
原型模式的结构与实现
由于 Java 提供了对象的 clone() 方法,所以用 Java 实现原型模式很简单。
1. 模式的结构
原型模式包含以下主要角色。
- 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的接口。
- 具体原型类:实现抽象原型类的 clone() 方法,它是可被复制的对象。
- 访问类:使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。
其结构图如图 1 所示。
2. 模式的实现
原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。
- 浅克隆:创建一个新对象,新对象的属性和原来对象完全相同,对于非基本类型属性,仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
- 深克隆:创建一个新对象,属性中引用的其他对象也会被克隆,不再指向原有对象地址。
Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法,具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆,这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下:
//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {Realizetype() {System.out.println("具体原型创建成功!");}public Object clone() throws CloneNotSupportedException {System.out.println("具体原型复制成功!");return (Realizetype) super.clone();}
}//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {Realizetype obj1 = new Realizetype();Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));}
}
程序的运行结果如下:
具体原型创建成功!
具体原型复制成功!
obj1==obj2?false
原型模式的应用实例
【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。
分析:孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空,这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类,而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。
同前面介绍的猪八戒实例一样,由于要显示孙悟空的图像(点击此处下载该程序所要显示的孙悟空的图片),所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类,里面包含了标签,用于保存孙悟空的图像。
另外,重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法,用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空,并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。
程序代码如下:
import java.awt.*;
import javax.swing.*;class SunWukong extends JPanel implements Cloneable {private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;public SunWukong() {JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));this.add(l1);}public Object clone() {SunWukong w = null;try {w = (SunWukong) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {System.out.println("拷贝悟空失败!");}return w;}
}public class ProtoTypeWukong {public static void main(String[] args) {JFrame jf = new JFrame("原型模式测试");jf.setLayout(new GridLayout(1, 2));Container contentPane = jf.getContentPane();SunWukong obj1 = new SunWukong();contentPane.add(obj1);SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();contentPane.add(obj2);jf.pack();jf.setVisible(true);jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);}
}
程序的运行结果如图 3 所示。
用原型模式除了可以生成相同的对象,还可以生成相似的对象,请看以下实例。
【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。
分析:同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同,其他都相同,属于相似对象的复制,同样可以用原型模式创建,然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。
程序代码如下:
public class ProtoTypeCitation {public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {citation obj1 = new citation("张三", "同学:在2016学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。", "韶关学院");obj1.display();citation obj2 = (citation) obj1.clone();obj2.setName("李四");obj2.display();}
}//奖状类
class citation implements Cloneable {String name;String info;String college;citation(String name, String info, String college) {this.name = name;this.info = info;this.college = college;System.out.println("奖状创建成功!");}void setName(String name) {this.name = name;}String getName() {return (this.name);}void display() {System.out.println(name + info + college);}public Object clone() throws CloneNotSupportedException {System.out.println("奖状拷贝成功!");return (citation) super.clone();}
}
程序运行结果如下:
奖状创建成功!
张三同学:在2016学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。韶关学院
奖状拷贝成功!
李四同学:在2016学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。韶关学院
原型模式的应用场景
原型模式通常适用于以下场景。
- 对象之间相同或相似,即只是个别的几个属性不同的时候。
- 创建对象成本较大,例如初始化时间长,占用CPU太多,或者占用网络资源太多等,需要优化资源。
- 创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等,需要提高性能或者提高安全性。
- 系统中大量使用该类对象,且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。
在 Spring 中,原型模式应用的非常广泛,例如 scope=‘prototype’、JSON.parseObject() 等都是原型模式的具体应用。
原型模式的扩展
原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式,它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型,Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图 5 所示。
【例3】用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型,并计算其面积。分析:本实例中由于存在不同的图形类,例如,“圆”和“正方形”,它们计算面积的方法不一样,所以需要用一个原型管理器来管理它们,图 6 所示是其结构图。
程序代码如下:
import java.util.*;interface Shape extends Cloneable {public Object clone(); //拷贝public void countArea(); //计算面积
}class Circle implements Shape {public Object clone() {Circle w = null;try {w = (Circle) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {System.out.println("拷贝圆失败!");}return w;}public void countArea() {int r = 0;System.out.print("这是一个圆,请输入圆的半径:");Scanner input = new Scanner(System.in);r = input.nextInt();System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");}
}class Square implements Shape {public Object clone() {Square b = null;try {b = (Square) super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {System.out.println("拷贝正方形失败!");}return b;}public void countArea() {int a = 0;System.out.print("这是一个正方形,请输入它的边长:");Scanner input = new Scanner(System.in);a = input.nextInt();System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");}
}class ProtoTypeManager {private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();public ProtoTypeManager() {ht.put("Circle", new Circle());ht.put("Square", new Square());}public void addshape(String key, Shape obj) {ht.put(key, obj);}public Shape getShape(String key) {Shape temp = ht.get(key);return (Shape) temp.clone();}
}public class ProtoTypeShape {public static void main(String[] args) {ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");obj1.countArea();Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");obj2.countArea();}
}
运行结果如下所示:
这是一个圆,请输入圆的半径:3
该圆的面积=28.2735这是一个正方形,请输入它的边长:3
该正方形的面积=9
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