1、定义

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。

2、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。

3、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。

4、结构

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。

  • 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
  • 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。
  • 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。
image.png

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

程序的运行结果如下：
image.png

6、应用实例

1、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。
image.png
程序代码如下：

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

程序的运行结果如图 3 所示。
image.png
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。

2、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。
image.png
程序代码如下：

  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. }
  10. //奖状类
  11. class citation implements Cloneable {
  12.     String name;
  13.     String info;
  14.     String college;
  15.     citation(String name, String info, String college) {
  16.         this.name = name;
  17.         this.info = info;
  18.         this.college = college;
  19.         System.out.println("奖状创建成功！");
  20.     }
  21.     void setName(String name) {
  22.         this.name = name;
  23.     }
  24.     String getName() {
  25.         return (this.name);
  26.     }
  27.     void display() {
  28.         System.out.println(name + info + college);
  29.     }
  30.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  31.         System.out.println("奖状拷贝成功！");
  32.         return (citation) super.clone();
  33.     }
  34. }

程序运行结果如下：
image.png

7、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。

8、扩展

1、带原型管理器的原型模式

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。

image.png

2、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。
image.png

程序代码如下：

  1. import java.util.*;
  2. interface Shape extends Cloneable {
  3.     public Object clone();    //拷贝
  4.     public void countArea();    //计算面积
  5. }
  6. class Circle implements Shape {
  7.     public Object clone() {
  8.         Circle w = null;
  9.         try {
  10.             w = (Circle) super.clone();
  11.         } catch (CloneNotSupportedException e) {
  12.             System.out.println("拷贝圆失败!");
  13.         }
  14.         return w;
  15.     }
  16.     public void countArea() {
  17.         int r = 0;
  18.         System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
  19.         Scanner input = new Scanner(System.in);
  20.         r = input.nextInt();
  21.         System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");
  22.     }
  23. }
  24. class Square implements Shape {
  25.     public Object clone() {
  26.         Square b = null;
  27.         try {
  28.             b = (Square) super.clone();
  29.         } catch (CloneNotSupportedException e) {
  30.             System.out.println("拷贝正方形失败!");
  31.         }
  32.         return b;
  33.     }
  34.     public void countArea() {
  35.         int a = 0;
  36.         System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
  37.         Scanner input = new Scanner(System.in);
  38.         a = input.nextInt();
  39.         System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");
  40.     }
  41. }
  42. class ProtoTypeManager {
  43.     private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();
  44.     public ProtoTypeManager() {
  45.         ht.put("Circle", new Circle());
  46.         ht.put("Square", new Square());
  47.     }
  48.     public void addshape(String key, Shape obj) {
  49.         ht.put(key, obj);
  50.     }
  51.     public Shape getShape(String key) {
  52.         Shape temp = ht.get(key);
  53.         return (Shape) temp.clone();
  54.     }
  55. }
  56. public class ProtoTypeShape {
  57.     public static void main(String[] args) {
  58.         ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
  59.         Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
  60.         obj1.countArea();
  61.         Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
  62.         obj2.countArea();
  63.     }
  64. }

运行结果如下所示：
image.png

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。