23种设计模式之原型模式

以下是 原型模式 (Prototype Pattern) 的详细介绍，包含定义、优缺点、应用场景及代码实现：

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一、原型模式概述

• 英文名称：Prototype

• 核心目标：通过复制现有对象来创建新对象，避免重复初始化带来的性能开销。

• 设计思想：利用 clone() 方法实现对象的快速复制，支持动态扩展对象类型。

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二、优缺点

优点：

1. 性能优化：跳过复杂构造过程，直接复制内存中的对象。

2. 动态性高：运行时动态新增或修改对象类型（如通过注册表管理原型）。

3. 避免构造约束：绕过构造函数限制，创建不可变对象副本。

缺点：

1. 深拷贝复杂度：需处理对象内部引用类型的深拷贝问题。

2. 侵入性设计：需实现 Cloneable 接口，可能违反某些设计原则（如接口隔离）。

3. 破坏封装性：clone() 方法可能访问私有字段，需谨慎实现。

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三、应用场景

1. 对象初始化成本高：如数据库查询结果、复杂计算后的配置对象。

2. 需要快速创建大量相似对象：如游戏中的敌人复制、粒子系统。

3. 保护性拷贝：防止外部修改共享对象（如线程安全的数据传递）。

4. 动态配置系统：运行时切换对象类型（如 UI 主题原型切换）。

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四、代码实现与注释

以下通过 文档模板复制 的案例演示原型模式，包含浅拷贝与深拷贝实现：

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1. 实现 Cloneable 接口（浅拷贝）

import java.util.List;

/**
 * 原型类：文档模板（实现 Cloneable 接口）
 */
public class DocumentTemplate implements Cloneable {
    private String title;
    private List paragraphs;  // 引用类型（浅拷贝共享该引用）

    public DocumentTemplate(String title, List paragraphs) {
        this.title = title;
        this.paragraphs = paragraphs;
    }

    /**
     * 浅拷贝实现：直接调用 Object.clone() 
     */
    @Override
    public DocumentTemplate clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (DocumentTemplate) super.clone();
    }

    // 修改标题（演示浅拷贝影响）
    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    // 添加段落（演示浅拷贝问题）
    public void addParagraph(String text) {
        paragraphs.add(text);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Title: " + title + "\nContent: " + String.join("\n", paragraphs);
    }
}

客户端调用（浅拷贝问题示例）

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        // 原始文档
        List paragraphs = new ArrayList<>(List.of("第一段", "第二段"));
        DocumentTemplate original = new DocumentTemplate("原始文档", paragraphs);
        
        // 浅拷贝副本
        DocumentTemplate copy = original.clone();
        copy.setTitle("副本文档");  // 修改基本类型字段（不影响原对象）
        copy.addParagraph("新增段落");  // 修改引用类型字段（影响原对象！）

        System.out.println("--- 原文档 ---\n" + original);
        System.out.println("--- 副本 ---\n" + copy);
    }
}

输出结果（浅拷贝问题）

--- 原文档 ---
Title: 原始文档
Content: 第一段
第二段
新增段落   // 原对象的 paragraphs 被修改！
--- 副本 ---
Title: 副本文档
Content: 第一段
第二段
新增段落

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2. 深拷贝实现（解决浅拷贝问题）

/**
 * 深拷贝原型类：通过手动复制引用对象
 */
public class DeepDocumentTemplate implements Cloneable {
    private String title;
    private List paragraphs;

    public DeepDocumentTemplate(String title, List paragraphs) {
        this.title = title;
        this.paragraphs = new ArrayList<>(paragraphs);  // 防御性拷贝
    }

    /**
     * 深拷贝实现：手动创建新对象
     */
    @Override
    public DeepDocumentTemplate clone() {
        // 1. 基本类型字段直接复制
        String clonedTitle = this.title;
        
        // 2. 引用类型字段创建新实例
        List clonedParagraphs = new ArrayList<>(this.paragraphs);
        
        return new DeepDocumentTemplate(clonedTitle, clonedParagraphs);
    }

    // 省略其他方法...
}

客户端调用（深拷贝修复问题）

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        List paragraphs = new ArrayList<>(List.of("第一段", "第二段"));
        DeepDocumentTemplate original = new DeepDocumentTemplate("原始文档", paragraphs);
        
        DeepDocumentTemplate copy = original.clone();
        copy.setTitle("副本文档");
        copy.addParagraph("新增段落");

        System.out.println("--- 原文档 ---\n" + original);
        System.out.println("--- 副本 ---\n" + copy);
    }
}

输出结果（深拷贝隔离）

--- 原文档 ---
Title: 原始文档
Content: 第一段
第二段
--- 副本 ---
Title: 副本文档
Content: 第一段
第二段
新增段落

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五、模式结构图

+----------------+          +----------------+
|   Prototype    |          |   Client       |
+----------------+          +----------------+
| clone():Prototype         |                |
+----------------+          +----------------+
         ^                           |
         |                           |
+----------------+          +----------------+
| ConcretePrototype        |                |
+----------------+          +----------------+
| clone():Prototype        |                |
+----------------+          +----------------+

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六、与其他模式的关系

1. 工厂模式：原型模式可替代工厂方法，通过克隆生成对象。

2. 组合模式：原型模式常用于复制组合结构的对象（如树形菜单）。

3. 备忘录模式：原型可用于实现备忘录的快照存储与恢复。

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七、最佳实践

1. 深拷贝工具：使用序列化（如 ObjectOutputStream）或工具库（Apache Commons Lang 的 SerializationUtils）简化深拷贝。

2. 原型注册表：维护一个全局原型池，支持动态获取和扩展原型。

3. 避免 final 字段：clone() 方法无法修改 final 字段，需谨慎设计。

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八、总结

• 核心价值：通过复制优化对象创建性能，支持动态对象扩展。

• 适用场景：对象初始化成本高、需快速生成相似副本、避免构造约束的系统。

• 关键实现：实现 Cloneable 接口 + 重写 clone() 方法 + 处理深拷贝。

Java 中 ArrayList、HashMap 等集合类均实现了 clone() 方法，是原型模式的典型应用。合理使用该模式可显著提升系统性能与灵活性。