原型模式（原型设计模式）详解
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：
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
用原型模式模拟“孙悟空”复制自己例子。
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.*;
import javax.swing.*;
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。
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);
}
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
原型管理器生成图形例子
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.*;
interface Shape extends Cloneable
{
public Object clone(); //拷贝
public void countArea(); //计算面积
}
class Circle implements Shape
{
public Object clone()
{
Circle w=null;
try
{
w=(Circle)super.clone();
}
catch(CloneNotSupportedException e)
{
System.out.println("拷贝圆失败!");
}
return w;
}
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+"
");
}
}
class Square implements Shape
{
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;
}
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+"
");
}
}
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