我的Java設計模式-原型模式

_ang 發布于2019-08-15 12:20 / 1146人閱讀

摘要：序列化實現深拷貝這是實現深拷貝的另一種方式，通過二進制流操作對象，從而達到深拷貝的效果。

“不好意思，我是臥底！哇哈哈哈~”額......自從寫了上一篇的觀察者模式，就一直沉浸在這個角色當中，無法自撥。昨晚在看《使徒行者2》，有一集說到啊炮仗哥印鈔票，我去，這就是想印多少就印多少的節奏。

但是我覺得他們印鈔票的方法太low了，就用那“哧咔，哧咔~”的老機器沒日沒夜的印，看著都著急。

這里我們可以用原型模式優化印鈔票的致富之路，為什么，繼續往下看......

一、原型模式 定義

??用原型實例指定所有創建對象的類型，并且通過復制這個拷貝創建新的對象。

特點

??1）必須存在一個現有的對象，也就是原型實例，通過原型實例創建新對象。

??2）在Java中，實現Cloneable，并且因為所有的類都繼承Object類，重寫clone()方法來實現拷貝。

使用場景

大量的對象，并且類初始化時消耗的資源多。沒人會嫌錢多的吧，除了某云。

這些鈔票的信息屬性基本一致，可以調整個別的屬性。

印鈔票的工序非常復雜，需要進行繁瑣的數據處理。

UML圖

從上面的UML圖可以看出，原型模式涉及到的角色有如下三個：

??- 客戶端角色：負責創建對象的請求。

??- 抽象原型角色：該角色是一個抽象類或者是接口，提供拷貝的方法。

??- 具體原型角色：該角色是拷貝的對象，需要重寫抽象原型的拷貝方法，實現淺拷貝或者深拷貝。

二、實戰

一起來印鈔票，鈔票實例必須實現Cloneable接口，該接口只充當一個標記，然后重寫clone方法，具體原型角色代碼如下：

public class Money implements Cloneable {

    private int faceValue;

    private Area area;

    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }

    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }

    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }

    public Area getArea() {
        return area;
    }

    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }

    public String getUnit() {
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }

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

Area類代碼如下：

public class Area {

    // 鈔票單位
    private String unit;

    public String getUnit() {
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }

}

看看客戶端如何實現鈔票的拷貝，代碼如下：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");

        // 原型實例，100RMB的鈔票
        Money money = new Money(100, area);

        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            try {
                Money cloneMoney = money.clone();
                cloneMoney.setFaceValue(i * 100);
                System.out.println("這張是" + cloneMoney.getFaceValue() +  cloneMoney.getArea().getUnit() + "的鈔票");
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

大把大把的鈔票出來了

這張是100RMB的鈔票

這張是200RMB的鈔票

這張是300RMB的鈔票

從上面并沒有看到抽象原型角色的代碼，那該角色在哪？Object就是這個抽象原型角色，因為Java中所有的類都默認繼承Objet，在這提供clone方法。

三、淺拷貝和深拷貝

在使用原型模式的時候，常常需要注意用的到底是淺拷貝還是深拷貝，當然這必須結合實際的項目需求。下面來了解學習這兩種拷貝的用法和區別：

首先我們來看一個例子，只改變客戶端代碼：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");
        // 原型實例，100RMB的鈔票
        Money money = new Money(100, area);
        try {
            Money cloneMoney = money.clone();
            cloneMoney.setFaceValue(200);
            area.setUnit("美元"); 

            System.out.println("原型實例的面值：" + money.getFaceValue() +money.getArea().getUnit());
            System.out.println("拷貝實例的面值：" + cloneMoney.getFaceValue() + cloneMoney.getArea().getUnit());
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

運行結果如下：

原型實例的面值：100美元

拷貝實例的面值：200美元

淺拷貝

見鬼了，明明就把原型實例的單位改成了美元而已，拷貝實例怎么也會跟著改變的。哪里有鬼？其實是Java在搞鬼。我們用的是Object的clone方法，而該方法只拷貝按值傳遞的數據，比如String類型和基本類型，但對象內的數組、引用對象都不拷貝，也就是說內存中原型實例和拷貝實例指向同一個引用對象的地址，這就是淺拷貝。淺拷貝的內存變化如下圖：

從上圖可以看出，淺拷貝前后的兩個實例對象共同指向同一個內存地址，即它們共有擁有area1實例，同時也存在著數據被修改的風險。注意，這里不可拷貝的引用對象是指可變的類成員變量。

深拷貝

同樣的看例子，客戶端代碼如下：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        Area area = new Area();
        area.setUnit("RMB");

        // 原型實例，100RMB的鈔票
        Money money = new Money(100, area);

        try {
            Money cloneMoney = money.clone();
            cloneMoney.setFaceValue(200);
            area.setUnit("美元");

            System.out.println("原型實例的面值：" + money.getFaceValue() + money.getArea().getUnit());
            System.out.println("拷貝實例的面值：" + cloneMoney.getFaceValue() + cloneMoney.getArea().getUnit());
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

運行結果如下：

原型實例的面值：100美元

拷貝實例的面值：200RMB

咦~這客戶端代碼不是跟淺拷貝的一樣嗎，但是運行結果卻又不一樣了。關鍵就在，實現深拷貝就需要完全的拷貝，包括引用對象，數組的拷貝。所以Area類也實現了Cloneable接口，重寫了clone方法，代碼如下：

public class Area implements Cloneable{

    // 鈔票單位
    private String unit;

    public String getUnit() {
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
        this.unit = unit;
    }

    @Override
    protected Area clone() throws CloneNotSupportedException {
        Area cloneArea;
        cloneArea = (Area) super.clone();
        return cloneArea;
    }
}

另外，在Money鈔票類的clone方法增加拷貝Area的代碼：

public class Money implements Cloneable, Serializable {

    private int faceValue;

    private Area area;

    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }

    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }

    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }

    public Area getArea() {
        return area;
    }

    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }

    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        Money cloneMoney = (Money) super.clone();
        cloneMoney.area = this.area.clone();  // 增加Area的拷貝
        return cloneMoney;
    }

}

深拷貝的內存變化如下圖：

深拷貝除了需要拷貝值傳遞的數據，還需要拷貝引用對象、數組，即把所有引用的對象都拷貝。需要注意的是拷貝的引用對象是否還有可變的類成員對象，如果有就繼續對該成員對象進行拷貝，如此類推。所以使用深拷貝是注意分析拷貝有多深，以免影響性能。

序列化實現深拷貝

這是實現深拷貝的另一種方式，通過二進制流操作對象，從而達到深拷貝的效果。把對象寫到流里的過程是序列化過程，而把對象從流中讀出來的過程則叫反序列化過程。深拷貝的過程就是把對象序列化（寫成二進制流），然后再反序列化（從流里讀出來）。注意，在Java中，常常可以先使對象實現Serializable接口，包括引用對象也要實現Serializable接口，不然會拋NotSerializableException。

只要修改Money，代碼如下：

public class Money implements Serializable {

    private int faceValue;

    private Area area;

    public int getFaceValue() {
        return faceValue;
    }

    public void setFaceValue(int faceValue) {
        this.faceValue = faceValue;
    }

    public Money(int faceValue, Area area) {
        this.faceValue = faceValue;
        this.area = area;
    }

    public Area getArea() {
        return area;
    }

    public void setArea(Area area) {
        this.area = area;
    }

    @Override
    protected Money clone() throws CloneNotSupportedException {
        Money money = null;
        try {
            // 調用deepClone，而不是Object的clone方法
            cloneMoney = (Money) deepClone();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return cloneMoney;
    }

    // 通過序列化深拷貝
    public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
        //將對象寫到流里
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
        oos.writeObject(this);
        //從流里讀回來
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
        return ois.readObject();
    }
}

同樣運行客戶端代碼，最后來看看結果：

原型實例的面值：100美元

拷貝實例的面值：200RMB

四、原型模式的優缺點 優點

1）提高性能。不用new對象，消耗的資源少。

缺點

1）淺拷貝時需要實現Cloneable接口，深拷貝則要特別留意是否有引用對象的拷貝。

總結

原型模式本身比較簡單，重寫Object的clone方法，實現淺拷貝還是深拷貝。重點在理解淺拷貝和深拷貝，這是比較細但又重要，卻往往被忽略的知識點。好啦，原型模式就到這了，下一篇是策略模式，敬請關注，拜拜！

設計模式Java源碼GitHub下載：https://github.com/jetLee92/DesignPattern

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