1、原型模式介绍
原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，其主要目的是通过复制现有对象来创建新对象，而无需知道其具体类型。这种模式属于对象创建型模式，通过克隆来避免使用new关键字创建对象，提高性能和降低系统的耦合度。
在Java中，原型模式的实现通常依赖于Cloneable接口和clone()方法。Cloneable接口标识一个类可以通过克隆创建对象。原型模式的关键是要实现对象的克隆，这可以通过浅克隆或深克隆来完成，具体取决于对象内部是否包含了引用类型。
2、关键思想
- 对象复制： 原型模式通过复制现有对象的数据来创建新对象，而不是通过使用 new 关键字直接实例化一个新对象。这种复制可以是浅复制（shallow copy）或深复制（deep copy），具体取决于对象内部是否包含引用类型。
- 浅复制（Shallow Copy）：
- 浅复制仅复制对象本身的所有字段，而不会复制引用类型的对象。
- 如果原型对象内部包含引用类型的字段，复制的结果是原始对象和副本对象引用相同的引用类型对象，而不是复制一份引用类型对象。
- 原始对象和副本对象之间共享引用类型对象，因此对引用类型对象的修改会在两者之间产生影响。
- 深复制（Deep Copy）：
- 深复制不仅复制对象本身的所有字段，还会递归复制引用类型的对象，使得原始对象和副本对象引用不同的引用类型对象。
- 原始对象和副本对象之间不共享引用类型对象，因此对引用类型对象的修改不会影响另一个对象。
- Cloneable 接口： 在Java中，被复制的对象通常需要实现 Cloneable 接口，该接口标识了对象是可复制的。这个接口是一个标记接口，表示该类的对象可以通过 clone() 方法进行复制。
- clone() 方法： 被复制的对象需要重写 clone() 方法，该方法负责实现对象的复制逻辑。在复制过程中，可以选择是进行浅复制还是深复制，以满足具体需求。
- 克隆和原型的独立性： 原型模式创建的新对象和原始对象是相互独立的。对新对象的修改不会影响到原始对象，反之亦然。这是通过复制对象数据而不是共享引用来实现的。
- 动态配置对象： 原型模式允许动态配置对象，因为在运行时可以创建对象的克隆，并根据实际需求进行调整。
原型模式的优势在于它能够提高系统性能，避免了重复创建相似对象的开销，同时减少了对具体类的依赖，降低了系统的耦合度。该模式常用于需要大量相似对象的场景，特别是当对象的创建过程较为复杂时。
3、实现方式：
假设我们有一个游戏角色类 GameCharacter，它包含一些基本属性，如角色名称和武器列表。我们将使用原型模式创建角色的克隆，以便在游戏中动态生成相似的角色。以下是一个的实现例子：
示例代码
import java.util.ArrayList; import java.util.List; // 步骤1：定义可克隆的原型类 class GameCharacter implements Cloneable { private String name; // 角色名称 private List<String> weapons; // 武器列表 // 构造方法 public GameCharacter(String name) { this.name = name; this.weapons = new ArrayList<>(); } // 添加武器 public void addWeapon(String weapon) { weapons.add(weapon); } // 打印角色信息 public void displayInfo() { System.out.println("Character: " + name); System.out.println("Weapons: " + weapons); } // 步骤2：重写clone()方法 @Override public GameCharacter clone() throws CloneNotSupportedException { // 浅复制 GameCharacter clonedCharacter = (GameCharacter) super.clone(); // 深复制武器列表 clonedCharacter.weapons = new ArrayList<>(this.weapons); return clonedCharacter; } } // 步骤3：使用原型创建对象 public class PrototypeExample { public static void main(String[] args) { // 创建原型角色 GameCharacter originalCharacter = new GameCharacter("Hero"); originalCharacter.addWeapon("Sword"); originalCharacter.addWeapon("Shield"); // 打印原始角色信息 System.out.println("Original Character:"); originalCharacter.displayInfo(); try { // 克隆角色 GameCharacter clonedCharacter = originalCharacter.clone(); // 添加新武器到克隆角色 clonedCharacter.addWeapon("Bow"); // 打印克隆角色信息 System.out.println("\nCloned Character:"); clonedCharacter.displayInfo(); } catch (CloneNotSupportedException e) { e.printStackTrace(); } } }
在这个例子中，我们创建了一个 GameCharacter 类，它具有名称和武器列表属性。通过实现 Cloneable 接口和重写 clone() 方法，我们使该类成为可克隆的原型。在 main 方法中，我们创建了一个原始角色对象，然后通过克隆创建了一个相似的角色对象。这两个角色对象共享相同的名称，但武器列表是相互独立的，即实现了深复制。
要点：
- 克隆方法： 原型模式的核心是在原型类中实现 Cloneable 接口，并重写 clone() 方法，确保对象可以被复制。
- 浅复制和深复制： 根据实际需求选择浅复制或深复制。浅复制只复制对象本身，而深复制会递归复制对象的所有引用类型成员。
- 性能提升： 原型模式可以在一定程度上提升系统性能，因为通过复制对象避免了对象的重新创建，尤其在对象的创建过程较为复杂时更为显著。
- 动态配置对象： 原型模式允许动态配置对象，因为可以在运行时通过克隆创建新对象，而无需知道具体类型。
- 适用于大对象： 当对象的创建过程较为复杂、耗时或者对象的复制是一种常见操作时，原型模式是一个很好的选择。
注意事项：
- 深复制的实现： 如果对象内部包含引用类型成员，确保进行深复制，以防止克隆对象和原始对象共享引用类型对象。
- 克隆方法的调用： 在使用原型模式时，要注意正确调用对象的 clone() 方法，最好通过捕获 CloneNotSupportedException 来处理可能的异常。
- 构造方法的调用： 在克隆时，对象的构造方法不会被调用。如果需要执行特定的初始化操作，可以在 clone() 方法中手动进行。
- 序列化替代方案： 在某些情况下，使用序列化（Serializable）和反序列化来实现对象的复制可能是更合适的替代方案。
- 克隆和单例模式： 原型模式和单例模式可能存在一些冲突，因为单例模式通常要求只有一个实例，而原型模式则是通过克隆创建新实例。在这种情况下，可以考虑使用其他创建型设计模式，如工厂模式。
优点：
- 性能提升： 原型模式通过复制现有对象避免了对象的重新创建，可以提高系统性能，特别是在对象的创建过程较为复杂或者耗时的情况下。
- 动态配置对象： 克隆操作可以在运行时动态配置对象，而不是在编译时确定对象的类型。这使得系统更加灵活，能够根据实际需要动态创建对象。
- 简化对象创建： 原型模式使得对象的创建变得简单，不需要知道具体对象的类型，只需复制一个现有对象即可得到新对象。
- 减少对具体类的依赖： 客户端可以通过克隆操作而不是直接实例化对象，从而减少对具体类的依赖，提高系统的灵活性。
缺点：
- 深复制实现复杂： 如果对象内部包含引用类型成员，实现深复制可能相对复杂，需要递归复制所有引用类型对象及其内部对象。
- 需要实现Cloneable接口： 被克隆的类需要实现Cloneable接口，并重写clone()方法，这违反了依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle）。
- 克隆方法的调用： 在使用原型模式时，要注意正确调用对象的clone()方法，需要处理可能的CloneNotSupportedException异常。
应用场景：
- 大量相似对象的创建： 当需要创建大量相似对象，而且这些对象的区别仅在于其属性值时，原型模式是一个很好的选择，可以通过克隆来创建新对象，避免重复的初始化工作。
- 动态配置对象： 当需要动态配置对象而不知道具体类型时，原型模式提供了一种灵活的创建对象的方式。
- 对象的创建过程复杂或耗时： 如果对象的创建过程包含了复杂的初始化步骤或者是耗时的操作，使用原型模式可以提高系统性能。
- 避免构造函数的约束： 在某些情况下，构造函数可能有一些限制，而通过克隆可以避免这些约束，使得对象的创建更加灵活。
总的来说，原型模式在某些场景下是非常有用的，特别是当需要创建大量相似对象或者对象创建过程较为复杂的情况。在使用时需要注意深复制的实现和克隆方法的调用。
