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原型模式(Prototype Pattern)

引言​

在Java中如果我们想要拷贝一个对象应该怎么做？第一种方法是使用 getter和setter方法一个字段一个字段设置。或者使用 BeanUtils.copyProperties() 方法。这种方式不仅能实现相同类型之间对象的拷贝，还可以实现不同类型之间的拷贝。

如果仅考虑相同对象之间的拷贝，有没有什么更优雅的方式呢？那就是原型模式。

定义及实现​

定义​

Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance, and create new objects by copying this prototype.

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。

结构​

原型模式结构
原型模式结构

原型模式就是类中提供一个拷贝方法，用于拷贝一个和自身属性一模一样的对象。

代码实现​

第一种方式

public interface Prototype<T> {
    T copy();
}

@NoArgsConstructor
@Data
public class ConcretePrototype1 implements Prototype<ConcretePrototype1> {

    private String name;

    private Integer age;

    public ConcretePrototype1(String name, Integer age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public ConcretePrototype1 copy() {
        return new ConcretePrototype1(this.name, this.age);
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        ConcretePrototype1 p1 = new ConcretePrototype1();
        p1.setAge(18);
        p1.setName("prototype1");
        System.out.println(p1);

        ConcretePrototype1 p2 = p1.copy();
        System.out.println(p2);
    }
}
java

第二种方式

只需要类实现 java.lang.Cloneable 借口，并实现clone() 方法即可。

@NoArgsConstructor
@Data
public class ConcretePrototype1 implements Cloneable {

    private String name;

    private Integer age;

    @Override
    public ConcretePrototype1 clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype1) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new AssertionError();
        }
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        ConcretePrototype1 p1 = new ConcretePrototype1();
        p1.setAge(18);
        p1.setName("prototype1");
        System.out.println(p1);

        ConcretePrototype1 p2 = p1.clone();
        System.out.println(p2);
    }
}
java

以上方法的问题​

以上方法的问题在于，如果有对象类型的数据。会直接引用对象地址，对象的内容修改后会同时影响拷贝对象和被拷贝对象，如下：

@NoArgsConstructor
@Data
public class Address {

    private String province;

    private String city;

    private String street;

    public Address(String province, String city, String street) {
        this.province = province;
        this.city = city;
        this.street = street;
    }
}

@NoArgsConstructor
@Data
public class ConcretePrototype1 implements Cloneable {

    private String name;

    private Integer age;

    private Address address;

    @Override
    public ConcretePrototype1 clone() {
        try {
            return (ConcretePrototype1) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new AssertionError();
        }
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Address address = new Address("河南省", "郑州市", "高新区");

        ConcretePrototype1 p1 = new ConcretePrototype1();
        p1.setAge(18);
        p1.setName("prototype1");
        p1.setAddress(address);
        System.out.println(p1);

        ConcretePrototype1 p2 = p1.clone();
        System.out.println(p2);

        // 修改p1的地址信息
        p1.getAddress().setStreet("中原区");

        System.out.println(p1);
        System.out.println(p2);

        // 修改p2的地址信息
        p2.getAddress().setStreet("二七区");
        System.out.println(p1);
        System.out.println(p2);
    }
}
java

输出

ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=高新区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=高新区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=中原区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=中原区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=二七区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=二七区))

从输出的结构中可以看出，无论是 p1 对象修改了 address 对象的内容，还是p2 对象修改了 address 对象的内容，两者都会改变。这是因为p1和p2都指向了同一个 address 对象。

原型模式对象引用问题
原型模式对象引用问题

String 类型和 Integer 类型也是对象类型，为什么给name重新赋值时，p1和p2不会相互影响呢？下面我们来解答这个问题。

这个问题其实很好回答，p1和p2的name字段在拷贝完成后其实指向的是同一个对象。从断点就可以看出。

原型模式对象引用问题调试
原型模式对象引用问题调试

但是我们重新给p1 的 name 赋值时，相当于将p1 的 name指向了另一个字符串对象。如下图

原型模式对象引用问题调试
原型模式对象引用问题调试

希望不要在这个地方有疑惑。

我们回到正题，现在我们想让两个拷贝的对象，拷贝完成后就不再相互影响，怎么办？

那就是用序列化和反序列化的方式来实现对象的深拷贝。

深拷贝​

深拷贝就是将对象序列化，然后再反序列化。这样新创建的对象跟原对象没有任何关系。任何字段都不会同时指向同一个对象。序列化方式主要有JSON序列化、Java原生序列化方式，当然还有其他的序列化方式。这里只列举JSON序列化方式，其他序列化如果有兴趣可以自行实现。

一些第三方库如Apache Commons的SerializationUtils类或Google的Gson库都提供了实现深拷贝的方法。

JSON序列化方式

在本例中使用 fastjson2 进行序列化和反序列化。

@NoArgsConstructor
@Data
public class ConcretePrototype1 implements Prototype<ConcretePrototype1> {

    private String name;

    private Integer age;

    private Address address;

    @Override
    public ConcretePrototype1 copy() {
        String json = JSON.toJSONString(this);
        return JSON.parseObject(json, ConcretePrototype1.class);
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Address address = new Address("河南省", "郑州市", "高新区");

        ConcretePrototype1 p1 = new ConcretePrototype1();
        p1.setAge(18);
        p1.setName("prototype1");
        p1.setAddress(address);
        System.out.println(p1);

        ConcretePrototype1 p2 = p1.copy();
        System.out.println(p2);

        p1.getAddress().setStreet("中原区");
        System.out.println(p1);
        System.out.println(p2);
    }
}
java

输出结果：

ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=高新区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=高新区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=中原区))
ConcretePrototype1(name=prototype1, age=18, address=Address(province=河南省, city=郑州市, street=高新区))

从输出结果中可以看出，两个对象是不会相互影响的。

原型模式深拷贝
原型模式深拷贝

从上图的调试结果中也可以看出，所有字段指向的内存地址都不一样。

实际应用​

原型模式的一个典型应用就是Spring中Bean的作用域。Spring框架中的原型作用域（Prototype Scope）就是基于原型模式实现的。

在Spring框架中，当一个bean的作用域被定义为原型作用域时，Spring容器在接收到对该bean的请求时，会为每个请求创建一个新的实例。这就类似于原型模式中的克隆操作，每次都创建一个新的对象实例，而不是返回同一个实例。

但是在Spring中Bean的创建是通过BeanDefinition创建的。BeanDefinition是Spring框架中用于描述和定义Bean的元数据接口。它包含了Bean的类名、依赖、作用域、生命周期回调等信息，可以理解为Bean的配置信息。

当Spring容器启动时，它会解析配置文件或注解，将Bean定义解析为BeanDefinition，并将其注册到容器中。然后，Spring容器根据BeanDefinition中的信息来创建和管理Bean的实例。

也就是说BeanDefinition是对象的模版，当需要创建对象是，通过这个模板来创建一个新的。这与本篇文章中的原型模式有些区别。

总结​

  • 原型模式就是通过一个以存在的对象来创建另一个。
  • 如果对象中存在有字段是对象类型，当这个字段被修改后，会同时影响拷贝和被拷贝对象。这时需要用深拷贝来处理。