Java设计模式之原型模式详解

Java设计模式之原型模式详解

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一、原型模式核心思想

核心目标：通过克隆现有对象创建新对象，避免重复初始化资源的开销。特别适用于创建成本高或构造流程复杂的对象。

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二、原型模式类图（Mermaid）

«interface»

Prototype

+clone() : Prototype

ConcretePrototype

-field: String

+clone() : Prototype

+getField() : String

+setField(String)

Client

-prototype: Prototype

+operation()

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三、两种克隆方式对比

克隆类型	实现方式	特点
浅克隆	复制对象及值类型字段	引用类型字段共享内存
深克隆	递归复制所有引用对象	完全独立的对象副本

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四、代码实现与示例

1. 浅克隆实现

// 1. 实现Cloneable接口
class ShallowPrototype implements Cloneable {
    private int id;
    private List<String> data;  // 引用类型字段

    public ShallowPrototype clone() {
        try {
            return (ShallowPrototype) super.clone();  // 调用Object.clone()
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new AssertionError();
        }
    }
}

// 客户端使用
ShallowPrototype obj1 = new ShallowPrototype();
ShallowPrototype obj2 = obj1.clone();  // data字段指向同一个List

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2. 深克隆实现

class DeepPrototype implements Cloneable {
    private int id;
    private List<String> data;

    public DeepPrototype clone() {
        try {
            DeepPrototype copy = (DeepPrototype) super.clone();
            copy.data = new ArrayList<>(this.data);  // 手动复制引用对象
            return copy;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new AssertionError();
        }
    }
}

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3. 序列图示例（Mermaid）

Client Prototype ConcretePrototype clone() 新克隆对象 Client Prototype ConcretePrototype

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五、模式优缺点分析

✅ 优势

• 性能优化：避免重复执行初始化代码（如数据库连接）
• 动态创建对象：运行时决定克隆哪个对象
• 简化复杂对象创建：如复制多层嵌套配置对象

❌ 缺点

• 深克隆实现复杂：需递归处理所有引用对象
• 破坏封装性：需要暴露clone方法

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六、典型应用场景

1. 游戏开发：快速生成大量相似NPC对象
2. 配置对象复制：保留默认配置模板并生成修改副本
3. 事务回滚：保存对象状态快照用于恢复
4. 缓存热更新：克隆更新后的配置对象替换旧版本

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七、常见问题解答

Q1：如何选择克隆方式？

• 如果对象仅包含值类型字段 → 浅克隆
• 如果对象包含引用类型字段 → 深克隆

Q2：Java的clone()方法为何需要实现Cloneable接口？

Cloneable是标记接口（无方法定义），Object.clone()方法会检查该接口，未实现则抛出CloneNotSupportedException

Q3：深克隆的替代方案？

可通过序列化/反序列化实现（需实现Serializable接口）：

ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(original);
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
DeepPrototype copy = (DeepPrototype) ois.readObject();

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