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。
  1. 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
  2. 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。
  3. 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。原型模式（Prototype） - 图1图1 原型模式的结构图

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：

  1. //具体原型类
  2. class Realizetype implements Cloneable {
  3.     Realizetype() {
  4.         System.out.println("具体原型创建成功！");
  5.     }
  7.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  8.         System.out.println("具体原型复制成功！");
  9.         return (Realizetype) super.clone();
  10.     }
  11. }
  13. //原型模式的测试类
  14. public class PrototypeTest {
  15.     public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
  16.         Realizetype obj1 = new Realizetype();
  17.         Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
  18.         System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
  19.     }
  20. }

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。原型模式（Prototype） - 图2
图2 孙悟空生成器的结构图

  1. import java.awt.*;
  2. import javax.swing.*;
  4. class SunWukong extends JPanel implements Cloneable {
  5.     private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;
  7.     public SunWukong() {
  8.         JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));
  9.         this.add(l1);
  10.     }
  12.     public Object clone() {
  13.         SunWukong w = null;
  14.         try {
  15.             w = (SunWukong) super.clone();
  16.         } catch (CloneNotSupportedException e) {
  17.             System.out.println("拷贝悟空失败!");
  18.         }
  19.         return w;
  20.     }
  21. }
  23. public class ProtoTypeWukong {
  24.     public static void main(String[] args) {
  25.         JFrame jf = new JFrame("原型模式测试");
  26.         jf.setLayout(new GridLayout(1, 2));
  27.         Container contentPane = jf.getContentPane();
  28.         SunWukong obj1 = new SunWukong();
  29.         contentPane.add(obj1);
  30.         SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();
  31.         contentPane.add(obj2);
  32.         jf.pack();
  33.         jf.setVisible(true);
  34.         jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
  35.     }
  36. }

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。原型模式（Prototype） - 图3
图4 奖状生成器的结构图

  1. public class ProtoTypeCitation {
  2.     public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
  3.         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");
  4.         obj1.display();
  5.         citation obj2 = (citation) obj1.clone();
  6.         obj2.setName("李四");
  7.         obj2.display();
  8.     }
  9. }
  11. //奖状类
  12. class citation implements Cloneable {
  13.     String name;
  14.     String info;
  15.     String college;
  17.     citation(String name, String info, String college) {
  18.         this.name = name;
  19.         this.info = info;
  20.         this.college = college;
  21.         System.out.println("奖状创建成功！");
  22.     }
  24.     void setName(String name) {
  25.         this.name = name;
  26.     }
  28.     String getName() {
  29.         return (this.name);
  30.     }
  32.     void display() {
  33.         System.out.println(name + info + college);
  34.     }
  36.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  37.         System.out.println("奖状拷贝成功！");
  38.         return (citation) super.clone();
  39.     }
  40. }

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。原型模式（Prototype） - 图4图5 带原型管理器的原型模式的结构图
【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。原型模式（Prototype） - 图5图6 图形生成器的结构图
程序代码如下：

  1. import java.util.*;
  3. interface Shape extends Cloneable {
  4.     public Object clone();    //拷贝
  6.     public void countArea();    //计算面积
  7. }
  9. class Circle implements Shape {
  10.     public Object clone() {
  11.         Circle w = null;
  12.         try {
  13.             w = (Circle) super.clone();
  14.         } catch (CloneNotSupportedException e) {
  15.             System.out.println("拷贝圆失败!");
  16.         }
  17.         return w;
  18.     }
  20.     public void countArea() {
  21.         int r = 0;
  22.         System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
  23.         Scanner input = new Scanner(System.in);
  24.         r = input.nextInt();
  25.         System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");
  26.     }
  27. }
  29. class Square implements Shape {
  30.     public Object clone() {
  31.         Square b = null;
  32.         try {
  33.             b = (Square) super.clone();
  34.         } catch (CloneNotSupportedException e) {
  35.             System.out.println("拷贝正方形失败!");
  36.         }
  37.         return b;
  38.     }
  40.     public void countArea() {
  41.         int a = 0;
  42.         System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
  43.         Scanner input = new Scanner(System.in);
  44.         a = input.nextInt();
  45.         System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");
  46.     }
  47. }
  49. class ProtoTypeManager {
  50.     private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();
  52.     public ProtoTypeManager() {
  53.         ht.put("Circle", new Circle());
  54.         ht.put("Square", new Square());
  55.     }
  57.     public void addshape(String key, Shape obj) {
  58.         ht.put(key, obj);
  59.     }
  61.     public Shape getShape(String key) {
  62.         Shape temp = ht.get(key);
  63.         return (Shape) temp.clone();
  64.     }
  65. }
  67. public class ProtoTypeShape {
  68.     public static void main(String[] args) {
  69.         ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
  70.         Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
  71.         obj1.countArea();
  72.         Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
  73.         obj2.countArea();
  74.     }
  75. }

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

进阶阅读

原型模式也称为克隆模式，如果您想深入了解原型（克隆）模式，可以猛击阅读下面的文章。

转自：http://c.biancheng.net/view/1343.html