原型模式 | Zhangfei's Blog

在有些系统中，存在大量相同或相似对象的创建问题，如果用传统的构造函数来创建对象，会比较复杂且耗时耗资源，用原型模式生成对象就很高效，就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。

原型模式的定义与特点

原型（Prototype）模式的定义如下：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

原型模式的结构与实现

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法，所以用 Java 实现原型模式很简单。

1. 模式的结构

原型模式包含以下主要角色。

抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

其结构图如图 1 所示。

图1 原型模式的结构图

2. 模式的实现

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆，Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法，具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆，这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下：

//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {

  Realizetype() {
    System.out.println("具体原型创建成功！");
  }

  public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    System.out.println("具体原型复制成功！");
    return (Realizetype) super.clone();
  }
}

//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {

  public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    Realizetype obj1 = new Realizetype();
    Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
    System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
  }
}

程序的运行结果如下：

1
2
3

具体原型创建成功！
具体原型复制成功！
obj1==obj2?false

原型模式的应用实例

【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。
分析：孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空，这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类，而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。
同前面介绍的猪八戒实例一样，由于要显示孙悟空的图像（点击此处下载该程序所要显示的孙悟空的图片），所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类，里面包含了标签，用于保存孙悟空的图像。
另外，重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法，用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空，并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。

图2 孙悟空生成器的结构图

程序代码如下：

import java.awt.Container;
import java.awt.GridLayout;
import javax.swing.ImageIcon;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JLabel;
import javax.swing.JPanel;

class SunWukong extends JPanel implements Cloneable {

  private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;

  public SunWukong() {
    JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));
    this.add(l1);
  }

  public Object clone() {
    SunWukong w = null;
    try {
      w = (SunWukong) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
      System.out.println("拷贝悟空失败!");
    }
    return w;
  }
}

public class ProtoTypeWukong {

  public static void main(String[] args) {
    JFrame jf = new JFrame("原型模式测试");
    jf.setLayout(new GridLayout(1, 2));
    Container contentPane = jf.getContentPane();
    SunWukong obj1 = new SunWukong();
    contentPane.add(obj1);
    SunWukong obj2 = (SunWukong) obj1.clone();
    contentPane.add(obj2);
    jf.pack();
    jf.setVisible(true);
    jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
  }
}

程序的运行结果如图 3 所示。

图3 孙悟空克隆器的运行结果

用原型模式除了可以生成相同的对象，还可以生成相似的对象，请看以下实例。
【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。
分析：同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同，其他都相同，属于相似对象的复制，同样可以用原型模式创建，然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。

图4 奖状生成器的结构图

程序代码如下：

public class ProtoTypeCitation {

  public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
    Citation obj1 = new Citation("张三", "同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。", "韶关学院");
    obj1.display();
    Citation obj2 = (Citation) obj1.clone();
    obj2.setName("李四");
    obj2.display();
  }
}

//奖状类
class Citation implements Cloneable {

  String name;
  String info;
  String college;

  Citation(String name, String info, String college) {
    this.name = name;
    this.info = info;
    this.college = college;
    System.out.println("奖状创建成功！");
  }

  void setName(String name) {
    this.name = name;
  }

  String getName() {
    return (this.name);
  }

  void display() {
    System.out.println(name + info + college);
  }

  @Override
  public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    System.out.println("奖状拷贝成功！");
    return (Citation) super.clone();
  }
}

程序运行结果如下：

奖状创建成功！
张三同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院
奖状拷贝成功！
李四同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。韶关学院

原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景。

对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
对象的创建过程比较麻烦，但复制比较简单的时候。

原型模式的扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式，它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap
保存多个复制的原型，Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图 5 所示。

图5 带原型管理器的原型模式的结构图

【例3】用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型，并计算其面积。分析：本实例中由于存在不同的图形类，例如，“圆”和“正方形”，它们计算面积的方法不一样，所以需要用一个原型管理器来管理它们，图 6 所示是其结构图。

图6 图形生成器的结构图

程序代码如下：

import java.util.HashMap;
import java.util.Scanner;

interface Shape extends Cloneable {

  public Object clone();    //拷贝

  public void countArea();    //计算面积
}

class Circle implements Shape {

  @Override
  public Object clone() {
    Circle w = null;
    try {
      w = (Circle) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
      System.out.println("拷贝圆失败!");
    }
    return w;
  }

  @Override
  public void countArea() {
    int r = 0;
    System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
    Scanner input = new Scanner(System.in);
    r = input.nextInt();
    System.out.println("该圆的面积=" + 3.1415 * r * r + "\n");
  }
}

class Square implements Shape {

  @Override
  public Object clone() {
    Square b = null;
    try {
      b = (Square) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
      System.out.println("拷贝正方形失败!");
    }
    return b;
  }

  @Override
  public void countArea() {
    int a = 0;
    System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
    Scanner input = new Scanner(System.in);
    a = input.nextInt();
    System.out.println("该正方形的面积=" + a * a + "\n");
  }
}

class ProtoTypeManager {

  private HashMap<String, Shape> ht = new HashMap<String, Shape>();

  public ProtoTypeManager() {
    ht.put("Circle", new Circle());
    ht.put("Square", new Square());
  }

  public void addshape(String key, Shape obj) {
    ht.put(key, obj);
  }

  public Shape getShape(String key) {
    Shape temp = ht.get(key);
    return (Shape) temp.clone();
  }
}

public class ProtoTypeShape {

  public static void main(String[] args) {
    ProtoTypeManager pm = new ProtoTypeManager();
    Shape obj1 = (Circle) pm.getShape("Circle");
    obj1.countArea();
    Shape obj2 = (Shape) pm.getShape("Square");
    obj2.countArea();
  }
}

运行结果如下所示：

这是一个圆，请输入圆的半径：3
该圆的面积=28.2735
这是一个正方形，请输入它的边长：3
该正方形的面积=9

作者：C语言中文网
原文链接：http://c.biancheng.net/view/1343.html