初識設計模式 - 原型模式

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時間 2022-09-25 13:40:00 部落格園-原創精華區

主題: 原型模式

簡介

對於大部分系統來說，建立物件包括申請記憶體、給成員變數賦值等過程，這些操作耗費的時間基本可以忽略不計。

如果物件中的資料需要經過複雜的計算才能得到（比如排序、計算雜湊值），或者需要從 RPC、網路、資料庫、檔案系統等非常慢速的 IO 中讀取，這其中耗費的時間有時是無法容忍的。

如果物件的建立成本比較大，而同一個類的不同物件之間差別不大（如大部分欄位都相同），在這種情況下，可以利用對已有物件（原型）進行復制的方式來建立新物件，以達到節省建立時間的目的。

這種基於原型來建立物件的方式就叫作原型設計模式（Prototype Design Pattern）。

具體實現

原型模式其核心就是拷貝，而在程式語言中，拷貝有兩種實現方式：深拷貝和淺拷貝。

淺拷貝

淺拷貝只會複製物件中基本資料型別和引用物件的記憶體地址，不會遞迴地複製引用物件，以及引用物件的引用物件……

對於淺拷貝來說，如果要拷貝的物件是不可變物件，淺拷貝共享不可變物件是沒問題的，但是對於可變物件來說，淺拷貝得到的物件和原始物件會共享部分資料，就有可能出現數據被修改的風險。

深拷貝

和淺拷貝不同，深拷貝得到的是一份完完全全獨立的物件，相比淺拷貝，深拷貝更加耗時、更加耗記憶體空間。

常見的深拷貝有兩種實現方式：遞迴淺拷貝物件直到只包含基本資料型別資料；序列化物件再反序列化成新的物件。實際開發中更推薦使用後者。

遞迴淺拷貝的 Java 程式碼示例如下：

public class DeepProtoType implements Cloneable {
    // String 型別
    public String name;
    // 引用資料型別
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object deep = null;
        // 這裡完成對基本資料型別（屬性）和 String 型別的拷貝
        deep = super.clone();
        // 對引用資料型別的屬性進行單獨處理，如果有多屬性，需要一一處理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();

        return deepProtoType;
    }
}

序列化物件的程式碼示例如下：

public class DeepProtoType implements Serializable {
    // String 型別
    public String name;
    // 引用資料型別
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    public Object deepClone() {
        // 建立流物件
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;

        try {
            // 序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            // 當前這個物件以物件流的方式輸出
            oos.writeObject(this);

            // 反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType) ois.writeObject();

            return deepProtoType;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
}

總結

優點

原型模式的主要優點如下：

當建立新的物件例項較為複雜時，使用原型模式可以簡化物件的建立過程，通過複製一個已有例項可以提高新例項的建立效率
可以使用深拷貝方式儲存物件的狀態，使用原型模式將物件複製一份，並將其狀態儲存起來
原型模式提供了簡化的建立結構

缺點

原型模式的主要缺點如下：

需要為每一個類都配置一個拷貝方法
拷貝方法位於類的內部，當對已有類進行改造的時候，需要修改程式碼，違背了開閉原則
當實現深拷貝的時候，需要編寫較為複雜的程式碼，而且當物件之間存在多重巢狀引用時，為了實現深拷貝，每一層物件對應的類都必須支援深拷貝

適用場景

原型模式的適用場景如下：

建立物件的成本較大，比如初始化時間長，佔用 CPU 太多，或者佔用網路資源太多等
如果系統要儲存物件的狀態，而物件的狀態變化很小，或者物件本身佔用記憶體較小時，可以使用原型模式配合備忘錄模式來實現
如果產生一個物件需要非常繁瑣的資料準備和訪問許可權，需要提高許可權或提高安全性

原始碼

在 JDK 中，對自定義的類重寫 clone() 方法就是典型的原型模式。

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