漫画：什么是 “原型模式” ？

时间：2021-07-25 14:01:55

关键字：原型模式设计模式

[导读]什么是 “原型模式”

————— 第二天 —————

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假如有一天，小灰被外星人抓走了，外星人要拿小灰做实验，想了解小灰在吃得好、睡得好、玩得开心的场景下，与现实中小灰的生存状态有什么区别。
于是，外星人克隆了几个一模一样的小灰：

就这样，小灰的原型被留在现实中，而三个复制体分别提供了吃得好、睡得好、玩得开心三种不同环境，小灰的原型则不受三个复制体的影响。
过了一段时间，我们来观察一下本体与分身的生存状态：

在Java语言中，Object类实现了Cloneable接口，一个对象可以通过调用Clone()方法生成对象，这就是原型模式的典型应用。
但需要注意的是，clone()方法并不是Cloneable接口里的，而是Object类里的，Cloneable是一个标识接口，标识这个类的对象是可被拷贝的，如果没有实现Cloneable接口，却调用了clone()方法，就会报错。

// protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
if (!(this instanceof Cloneable)) {
throw new CloneNotSupportedException( "Class " getClass().getName() " doesn't implement Cloneable");
}
return internalClone();
}
// Native helper method for cloning.
private native Object internalClone();

Java中的数据类型，分为基本类型和引用类型。在一个方法里的变量如果是基本类型的话，变量就直接存储在这个方法的栈帧里，例如int、long等；而引用类型则在栈帧里存储这个变量的指针，指向堆中该实体的地址，例如String、Array等。深拷贝和浅拷贝是只针对引用数据类型的。
比如一个方法有一个基本类型参数和一个引用类型参数，在方法体里对参数重新赋值，会影响传入的引用类型参数，而不会影响基本类型参数，因为基本类型参数是值传递，而引用类型参数是引用传递。
先定义一个用户类：

// 这是一个非常简单的用户类
public class User {
private String name;
private int age;
public User(String name, int age) {
this.name=name;
this.age=age;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{name='" name ", age=" age '}';
}
}

测试：

private int x=10;
public void updateValue(int value){
value = 3 * value;
}
private User user= new User("大黄",20);
public void updateUser(User student){
student.setName("小灰");
student.setAge(18);
}
public void test(){
System.out.println("调用前x的值：" x);
updateValue(x);
System.out.println("调用后x的值：" x);
System.out.println("调用前user的值：" user.toString());
updateUser(user);
System.out.println("调用后user的值：" user.toString());
}

Log打印结果如下：

调用前x的值：10
调用后x的值：10
调用前user的值：User{name='大黄, age=20}
调用后user的值：User{name='小灰, age=18}

传递基本类型的方法（updateValue()）流程图：

传递引用类型的方法（updateUser()）流程图：

这其中也包含着例外，比如String类型和大小不超过127的Long类型，虽然也是引用类型，却像基本类型一样不受影响。这是因为它们会先比较常量池维护的值，这涉及VM的内容，今天不做过多讨论。

浅拷贝是在按位（bit）拷贝对象，这个对象有着原始对象属性值的一份精确拷贝。我们结合应用场景分析一下，还是刚才的User类，我们增加一个存放地址的内部类Address，我们需要用户信息可以被其他module查询，但是不允许它们被其他module修改，新增代码如下：

// 这是一个稍微复杂的、支持拷贝的用户类

public class User implements Cloneable { // ……省略上文代码……
private Address address;

@NonNull
@NotNull
@Override

public User clone() {
try{
return (User)super.clone();

}catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}

public class Address{
// 地市
public String city;
// 区县
public String county;
// 乡镇街道
public String street;
}
}

// 这是一个更复杂的、支持深拷贝的用户类
public class User implements Cloneable {
// ……省略上文代码……
@NonNull
@NotNull
@Override
public User clone() {
try{
User newUser = (User)super.clone();
newUser.setName(this.name);
newUser.setAddress(this.address.clone());
return newUser;
}catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
public class Address implements Cloneable{
// ……省略上文代码……
@NonNull
@NotNull
@Override
public Address clone() {
try{
Address newAddress = (Address)super.clone();
newAddress.city = this.city;
newAddress.county = this.county;
newAddress.street = this.street;
return newAddress;
}catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
}

需要注意的是，上面代码的深拷贝其实并不彻底，因为彻底的深拷贝几乎是不可能实现的，那样不但可能存在引用关系非常复杂的情况，也可能存在引用链的某一级上引用了一个没有实现Cloneable接口的第三方对象的情况。

绝大多数设计模式都是牺牲性能提升开发效率的，原型模式则是为数不多的牺牲开发效率提升性能的设计模式。

private User user= new User("大黄",20);
public void testNew(){
User user1 = new User("小灰",18);
}
public void testClone(){
User user2 = user.clone();
}

通过ASM工具查看bytecode，可以看出二者对栈资源的消耗：

// access flags 0x1
public testNew()V
……省略……
MAXSTACK = 4
MAXLOCALS = 2
// access flags 0x1
public testClone()V
……省略……
MAXSTACK = 1
MAXLOCALS = 2

@Override
public Object clone() {
return new Intent(this);
}

最后我们来总结一下原型模式的核心用途：
1.解决构建复杂对象的资源消耗问题，提升创建对象的效率。
2.保护性拷贝，防止外部对只读对象进行需修改。