原型模式
原型模式
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title: 原型模式
date: 2022-12-14 15:35
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- 行动阶段/完成
- 主题场景/设计
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- 细化主题/设计模式/创建模式/原型模式
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- 设计
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- 设计模式/创建模式/原型模式
description: 原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。
简介
意图：
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。
主要解决：
在运行期建立和删除原型。
何时使用：
- 当一个系统应该独立于它的产品创建，构成和表示时。
- 当要实例化的类是在运行时刻指定时，例如，通过动态装载。
- 为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。
- 当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。
如何解决：
利用已有的一个原型对象，快速地生成和原型对象一样的实例。
关键代码：
- 实现克隆操作，在 JAVA 实现 Cloneable 接口，重写 clone()，在 .NET 中可以使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法来实现对象的浅拷贝或通过序列化的方式来实现深拷贝。
- 原型模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型（易变类）之间的耦合关系，它同样要求这些 “易变类” 拥有稳定的接口。
应用实例：
- 细胞分裂。
- JAVA 中的 Object clone() 方法。
优点：
- 性能提高。
- 逃避构造函数的约束。
缺点：
- 配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。
- 必须实现 Cloneable 接口。
使用场景：
- 资源优化场景。
- 类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等。
- 性能和安全要求的场景。
- 通过 new 产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式。
- 一个对象多个修改者的场景。
- 一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。
- 在实际项目中，原型模式很少单独出现，一般是和工厂方法模式一起出现，通过 clone 的方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。原型模式已经与 Java 融为浑然一体，大家可以随手拿来使用。
注意事项：
与通过对一个类进行实例化来构造新对象不同的是，原型模式是通过拷贝一个现有对象生成新对象的。浅拷贝实现 Cloneable，重写，深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流。
模式结构
- 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。
- 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。
- 客户端 （Client） 可以复制实现了原型接口的任何对象。
适合应用场景
title: 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。
这一点考量通常出现在代码需要处理第三方代码通过接口传递过来的对象时。 即使不考虑代码耦合的情况， 你的代码也不能依赖这些对象所属的具体类， 因为你不知道它们的具体信息。
原型模式为客户端代码提供一个通用接口， 客户端代码可通过这一接口与所有实现了克隆的对象进行交互， 它也使得客户端代码与其所克隆的对象具体类独立开来。
title: 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。
在原型模式中， 你可以使用一系列预生成的、 各种类型的对象作为原型。
客户端不必根据需求对子类进行实例化， 只需找到合适的原型并对其进行克隆即可。
实现方式
- 创建原型接口， 并在其中声明 克隆 方法。 如果你已有类层次结构， 则只需在其所有类中添加该方法即可。
- 原型类必须另行定义一个以该类对象为参数的构造函数。 构造函数必须复制参数对象中的所有成员变量值到新建实体中。 如果你需要修改子类， 则必须调用父类构造函数， 让父类复制其私有成员变量值。
- 如果编程语言不支持方法重载， 那么你可能需要定义一个特殊方法来复制对象数据。 在构造函数中进行此类处理比较方便， 因为它在调用 new运算符后会马上返回结果对象。
- 克隆方法通常只有一行代码： 使用 new运算符调用原型版本的构造函数。 注意， 每个类都必须显式重写克隆方法并使用自身类名调用 new运算符。 否则， 克隆方法可能会生成父类的对象。
- 你还可以创建一个中心化原型注册表， 用于存储常用原型。
- 你可以新建一个工厂类来实现注册表， 或者在原型基类中添加一个获取原型的静态方法。 该方法必须能够根据客户端代码设定的条件进行搜索。 搜索条件可以是简单的字符串， 或者是一组复杂的搜索参数。 找到合适的原型后， 注册表应对原型进行克隆， 并将复制生成的对象返回给客户端。
最后还要将对子类构造函数的直接调用替换为对原型注册表工厂方法的调用。
示例
import java.util.Hashtable;
public class ShapeCache {
private static Hashtable<String, Shape> shapeMap
= new Hashtable<String, Shape>();
public static Shape getShape(String shapeId) {
Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
return (Shape) cachedShape.clone();
}
// 对每种形状都运行数据库查询，并创建该形状
// shapeMap.put(shapeKey, shape);
// 例如，我们要添加三种形状
public static void loadCache() {
Circle circle = new Circle();
circle.setId("1");
shapeMap.put(circle.getId(),circle);
Square square = new Square();
square.setId("2");
shapeMap.put(square.getId(),square);
Rectangle rectangle = new Rectangle();
rectangle.setId("3");
shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle);
}
}
优缺点
title: 优点
- 你可以克隆对象， 而无需与它们所属的具体类相耦合。
- 你可以克隆预生成原型， 避免反复运行初始化代码。
- 你可以更方便地生成复杂对象。
- 你可以用继承以外的方式来处理复杂对象的不同配置。
缺点
- 克隆包含循环引用的复杂对象可能会非常麻烦。
与其他模式的关系
在许多设计工作的初期都会使用[[工厂方法模式]] （较为简单， 而且可以更方便地通过子类进行定制）， 随后演化为使用[[抽象工厂模式]]、 [[原型模式]]或[[生成器模式]] （更灵活但更加复杂）。
[[抽象工厂模式]]通常基于一组工厂方法， 但你也可以使用[[原型模式]]来生成这些类的方法。
[[原型模式]]可用于保存[[命令模式]]的历史记录。
大量使用[[组合模式]]和[[装饰模式]]的设计通常可从对于[[原型模式]]的使用中获益。 你可以通过该模式来复制复杂结构， 而非从零开始重新构造。
[[原型模式]]并不基于继承， 因此没有继承的缺点。 另一方面， 原型需要对被复制对象进行复杂的初始化。 [[工厂方法模式]]基于继承， 但是它不需要初始化步骤。
有时候[[原型模式]]可以作为[[备忘录模式]]的一个简化版本， 其条件是你需要在历史记录中存储的对象的状态比较简单， 不需要链接其他外部资源， 或者链接可以方便地重建。
[[抽象工厂模式]]、 [[生成器模式]]和[[原型模式]]都可以用[[单例模式]]来实现。
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