探索设计模式之五——原型模式

5.原型模式（Prototype Pattern）

       前面的几种模式中，我们使用了不同的构造方法（各种Factory或者Builder）去代替或者说掩盖Java语言之中“new”这个操作来创建对象实例。Java中要创建一个新的对象并不一定只能靠“new”这个关键字的，我们还有“clone()”。

在接触原型模式之前，我们先来了解一下克隆一些知识：

1.clone()方法在Java中从Object类开始就具备，并且作为原生（Native）方法出现。它默认是protected的，因此在被子类提升可见性之前，无法被外界使用。

2.所有需要进行克隆操作的类都必须实现Cloneable接口，这个接口与Serializable接口一样，没有任何需要实现的方法，仅仅是作为一个标示。

3.所有数组都实现了Cloneable接口，并且已经提升了clone()方法的可见性至public，换句话说数组对象是可以直接调用clone()方法的。

4.克隆分为浅拷贝和深拷贝两种，浅拷贝的操作基本上可以理解为只拷贝存储于栈中的内容，包括对象中简单类型的数据、指向其他复杂对象的指针等，但是不会将指向的复杂对象也拷贝一次。

目的：

用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

场景：

大话西游中唐僧说到：“人是人他妈生的，妖是妖他妈生的，人妖自然是人妖他妈生的咯”，那Zerg众多可爱……可怕的怪兽们都是谁生的？

早上9：00，Kerrigan从床上起来，看见基地里面一片欣欣向荣的景象觉得心情特别舒畅：一群Drone在卖力的挖水晶搬气体，Zergling、Hydralisk们在精神抖擞的踏着正步（BUG：Hydralisk貌似很难走正步），就连基地刚刚分泌出来的3只Larva（虫族的幼虫）都在屁颠屁颠的使劲蹦跶。

Kerrigan也开始了她虫族女王的工作：看了看水晶和气体存量，指着一只Zergling对Larva说：你变成它吧，再指着另外一只Hydralisk对Larva说：你就变成它吧……

分析：

如果说Zergling的存在是为了锋利的抓牙，Hydralisk的存在是为了强腐蚀性的毒液，那Larva生命的唯一意义就是变成别人，它可以说就是Zerg们“它妈”。用一句OOP的话来说：每个Zerg都是从Larva派生出来的，Larva有一个clone方法，自然从Larva派生出来的对象就具备了一个clone方法，它的作用就是根据已有对象（prototype）去生产出一个新的对象。

我们可以用下面代码来模拟“Kerrigan指着一只Zergling对Larva说：你变成它”这个过程：

 图5.1 原型模式的UML图

刚刚说了，Larva存在的唯一目的就是为了变成别人，所以它不具备任何的attack()、patrol()方法，只有一个clone()方法，并且是所有Zerg兵种的父类。在这里为了演示需要，给它赋予了3个额外的方法getName()、setName()和toString()，以便区分各个子类。

/**
 * Zerg幼虫，是其他Zerg的父类，实现了Closeable接口
 */
public class Larva implements Cloneable {
 
    private String name = "Larva";
 
    public String getName() {
        return name;
    }
 
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
 
    /**
     * 将Clone方法的可见性从protected提升至public
     */
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
 
    public String toString() {
        return "兵种名称:" + name + ", 当前对象的内存地址为：" + super.toString();
    }
}
 

接着，我们建立Zergling和Hydralisk两个子类，在本次演示中，我们只希望知道Zerg是怎么繁殖的，而不需要去战斗，所以子类写的非常简单，仅仅赋予它们名字的差别：

/**
 * 模拟Hydralisk
 */
public class Hydralisk extends Larva {
 
    public Hydralisk() {
        setName("Hydralisk");
    }
}
 
 
/**
 * 模拟Zergling
 */
public class Zergling extends Larva {
 
    public Zergling() {
        setName("Zergling");
    }
}

到此为止，准备工作还差最后一步就要完成了。要使用原型模式去生产产品，自然就要先有一个原型对象，原型对象怎么来的Prototype不管，是new出来的、由别的工厂建造的、还是实现写在常量中的标本都可以。我个人觉得使用常量标本更加合理一些，请看下面代码：

/**
 * 模拟Kerrigan使用原型模式生产Zerg的使用场景
 */
public class Kerrigan {
 
    /**
     * 常量：兵种的克隆模版
     */
    private static final Larva[] HATCH = new Larva[] { new Hydralisk(), new Zergling() };
 
    /**
     * Hydralisk在克隆模版中的序号
     */
    private static final int HYDRALISK = 0;
 
    /**
     * Zergling在克隆模版中的序号
     */
    private static final int ZERGLING = 1;
 
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println(HATCH[HYDRALISK].clone());
        System.out.println(HATCH[HYDRALISK].clone());
        System.out.println(HATCH[ZERGLING].clone());
        System.out.println(HATCH[ZERGLING].clone());
    }
}

在上述代码中我们建立了一个常量模版数组：HATCH，里面有Zergling各种兵种的模版，要生产具体兵种的时候，只需要在模版中选择适合的原型（prototype）进行克隆。这样的具备以下特点：

1.继承对象的属性值：其他的构造模式中，对象具备什么属性值（譬如演示中的Name属性），是由类构造时赋值所决定的，一般来说工厂生产出来的产品属性值都具备一致性。而原型模式生产出来的产品，属性值来源于原型对象而不是类，当前对象的属性值是什么样子，克隆对象的属性值就是什么样子，这点是Prototype模式与其他模式使用场景上最大的差异。

2.运行时修改产品列表：Prototype模式不依赖工厂，只需要拿到实例即可创建新的对象，这点比其他模式更为灵活。

3.绕过对象构造：原型模式生产对象的过程中，本质上讲是一个内存复制的过程，因此它是不会调用对象的构造函数的。

展示一下程序的最终运行结果：

 图 5.2 克隆的兵种

总结：

Prototype模式中实现起来最困难的地方就是内存复制操作，所幸在Java中提供了clone()方法替我们做了绝大部分事情。在其他语言之中，一种比较简单的方法是可以考虑使用序列化技术（Serilization）来完成对象的复制。

在Java语言中clone()方法完成的是浅拷贝的克隆，如果需要深拷贝，也可以考虑使用序列化来完成，当然这样比起Native的clone()方法来说，效率差了很多，所以更加推荐的方法是针对类中包含的复杂对象情况，重写clone()方法，多次调用父类的clone()来完成，虽然要多写不少代码，但是保证了效率。

在本章中，我们了解到了Zerg们的出生过程，如果说茫茫多的怪兽都是通过原型模式克隆出来的，那独一无二的虫族刀锋女王Kerrigan呢？请继续看构造模式部分的最后一章——单例模式。