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深入理解设计模式之原型模式（Prototype Pattern）

news 2025/5/15 22:51:00

一、为什么需要原型模式？

在传统对象创建方式中，我们通过new关键字直接调用构造函数创建实例。但当遇到以下场景时：

对象初始化需要消耗大量资源（如数据库连接）
需要创建的对象与现有实例高度相似
希望屏蔽对象创建的复杂过程

原型模式通过克隆已有对象的方式创建新实例，相比直接创建具有以下优势：

避开重复的初始化过程
动态获取对象运行时状态
实现对象创建与使用的解耦

二、模式结构解析

+----------------+         +-----------------+
|  Prototype     |         |  Client         |
+----------------+         +-----------------+
|+ clone():Object|<>-------|                 |
+----------------+         +-----------------+^|
+------------------+
| ConcretePrototype|
+------------------+
| + clone():Object |
+------------------+

关键角色说明

Prototype（抽象原型）：声明克隆方法的接口
ConcretePrototype（具体原型）：实现克隆方法的具体类
Client（客户端）：通过调用原型对象的克隆方法创建新对象

三、深拷贝 vs 浅拷贝

类型	实现方式	特点	适用场景
浅拷贝	Object.clone()默认实现	复制基本类型，引用类型共享	对象无嵌套引用
深拷贝	手动实现或序列化方式	完全独立的对象副本	复杂对象结构

Java实现深拷贝的三种方式

// 方式1：手动克隆
public class DeepClone implements Cloneable {private List<String> data = new ArrayList<>();@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {DeepClone copy = (DeepClone)super.clone();copy.data = new ArrayList<>(this.data); // 手动创建新集合return copy;}
}// 方式2：序列化实现
public static <T extends Serializable> T deepClone(T obj) {try (ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos)) {oos.writeObject(obj);ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);return (T) ois.readObject();} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}
}// 方式3：使用JSON序列化（推荐）
public static <T> T deepCloneByJson(T obj) {Gson gson = new Gson();String json = gson.toJson(obj);return gson.fromJson(json, (Type) obj.getClass());
}

四、实战应用场景

1. 游戏开发 - 敌人生成

class Enemy implements Cloneable {private String type;private int hp;private Weapon weapon;public Enemy(String type, int hp, Weapon weapon) {// 复杂的初始化过程（加载3D模型、AI配置等）this.type = type;this.hp = hp;this.weapon = weapon;}@Overridepublic Enemy clone() {try {Enemy cloned = (Enemy) super.clone();cloned.weapon = this.weapon.clone(); // 深拷贝武器对象return cloned;} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}// 使用原型创建敌人
Enemy orcPrototype = new Enemy("Orc", 100, new Axe());
List<Enemy> army = new ArrayList<>();
for(int i=0; i<1000; i++){army.add(orcPrototype.clone());
}

2. 配置对象复用

class AppConfig implements Cloneable {private DatabaseConfig dbConfig;private CacheConfig cacheConfig;private boolean debugMode;// 初始化需要从配置文件读取各种参数public AppConfig() {// 耗时操作（约2秒）}@Overridepublic AppConfig clone() {return deepCloneByJson(this); // 使用JSON深拷贝}
}// 创建多个配置副本
AppConfig baseConfig = new AppConfig(); // 仅初始化一次
AppConfig testConfig = baseConfig.clone();
testConfig.setDebugMode(true);AppConfig productionConfig = baseConfig.clone();
productionConfig.getDbConfig().setPoolSize(100);

五、性能对比测试

创建10000个复杂对象耗时比较：

| 创建方式       | 耗时（ms） |
|----------------|------------|
| new操作        | 2350       |
| 浅拷贝         | 12         |
| 深拷贝（手动） | 45         |
| 深拷贝（JSON） | 85         |

六、最佳实践指南

对象注册表优化

class PrototypeRegistry {private static Map<String, Prototype> prototypes = new HashMap<>();static {prototypes.put("default", new ConcretePrototype());prototypes.put("advanced", new AdvancedPrototype());}public static Prototype getPrototype(String type) {return prototypes.get(type).clone();}
}

结合其他模式

与工厂模式结合：创建克隆工厂
与备忘录模式结合：实现状态回滚
与组合模式结合：克隆复杂对象结构

注意事项

谨慎处理final字段
注意克隆构造函数不会被调用
使用Unsafe类实现高效克隆（需要处理安全限制）

public class UnsafeClone {private static final Unsafe UNSAFE;static {try {Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");field.setAccessible(true);UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}}public static <T> T clone(T obj) {try {T copy = (T) UNSAFE.allocateInstance(obj.getClass());Field[] fields = obj.getClass().getDeclaredFields();for (Field field : fields) {long offset = UNSAFE.objectFieldOffset(field);Object value = UNSAFE.getObject(obj, offset);UNSAFE.putObject(copy, offset, value);}return copy;} catch (Exception e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

七、框架中的应用实例

Spring框架中的原型作用域

<bean id="protoBean" class="com.example.PrototypeBean" scope="prototype"/>

JavaScript原型继承

class Vehicle {constructor() { this.type = 'generic' }clone() { return Object.create(Object.getPrototypeOf(this)) }
}const car = new Vehicle();
const carClone = car.clone();