從原型模式到淺拷貝和深拷貝

問題

“

如果你有一個對象， 并希望生成與其完全相同的一個復制品， 你該如何實現(xiàn)呢？

首先， 你必須新建一個屬于相同類的對象。然后， 你必須遍歷原始對象的所有成員變量， 并將成員變量值復制到新對象中。

for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
??Sheep?sheep?=?new?Sheep("肖恩"+i+"號",2+i,"白色");
??System.out.println(sheep.toString());
}

這種方式是比較容易想到的，但是有幾個不足

• 在創(chuàng)建新對象的時候，總是需要重新獲取原始對象的屬性，如果創(chuàng)建的對象比較復雜，效率會很低
• 總是需要重新初始化對象，而不是動態(tài)地獲得對象運行時的狀態(tài), 不夠靈活
• 另一方面，并非所有對象都能通過這種方式進行復制， 因為有些對象可能擁有私有成員變量， 它們在對象本身以外是不可見的

“

萬物兼對象的 Java 中的所有類的根類 Object，提供了一個 clone() 方法，該方法可以將一個 Java 對象復制一份，但是需要實現(xiàn) clone() 的類必須要實現(xiàn)一個接口 Cloneable，該接口表示該類能夠復制且具有復制的能力。

這就引出了原型模式。

基本介紹

1. 原型模式(Prototype模式)是指：用原型實例指定創(chuàng)建對象的種類，并且通過拷貝這些原型，創(chuàng)建新的對象
2. 原型模式是一種創(chuàng)建型設(shè)計模式， 使你能夠復制已有對象， 而又無需使代碼依賴它們所屬的類
3. 工作原理是：通過將一個原型對象傳給那個要發(fā)動創(chuàng)建的對象，這個要發(fā)動創(chuàng)建的對象通過請求原型對象拷貝它們自己來實施創(chuàng)建，即 對象**.clone**()

類圖

• Prototype : 原型 （Prototype） 接口將對克隆方法進行聲明

  Java 中 Prototype 類需要具備以下兩個條件

• 實現(xiàn) Cloneable 接口。在 Java 語言有一個 Cloneable 接口，它的作用只有一個，就是在運行時通知虛擬機可以安全地在實現(xiàn)了此接口的類上使用 clone 方法。在 Java 虛擬機中，只有實現(xiàn)了這個接口的類才可以被拷貝，否則在運行時會拋出 CloneNotSupportedException 異常
• 重寫 Object 類中的 clone 方法。Java 中，所有類的父類都是 Object 類，Object 類中有一個 clone 方法，作用是返回對象的一個拷貝

• ConcretePrototype：具體原型 （Concrete Prototype） 類將實現(xiàn)克隆方法。除了將原始對象的數(shù)據(jù)復制到克隆體中之外， 該方法有時還需處理克隆過程中的極端情況， 例如克隆關(guān)聯(lián)對象和梳理遞歸依賴等等。

• Client: 使用原型的客戶端，首先要獲取到原型實例對象，然后通過原型實例克隆自己，從而創(chuàng)建一個新的對象。

實例

“

我們用王二小放羊的例子寫這個實例

1、原型類（實現(xiàn) Clonable）

@Setter
@Getter
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
class?Sheep?implements?Cloneable?{
????private?String?name;
????private?Integer?age;
????private?String?color;

????@Override
????protected?Sheep?clone()?{
????????Sheep?sheep?=?null;
????????try?{
????????????sheep?=?(Sheep)?super.clone();
????????}?catch?(Exception?e)?{
????????????System.out.println(e.getMessage());
????????}
????????return?sheep;
????}
}

2、具體原型

按業(yè)務(wù)的不同實現(xiàn)不同的原型對象，假設(shè)現(xiàn)在主角是王二小，羊群里有山羊、綿羊一大群

public?class?Goat?extends?Sheep{
????public?void?graze()?{
????????System.out.println("山羊去吃草");
????}
}

public?class?Lamb?extends?Sheep{
????public?void?graze()?{
????????System.out.println("羔羊去吃草");
????}
}

3、客戶端

public?class?Client?{

????static?List?sheepList?=?new?ArrayList<>();
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????Goat?goat?=?new?Goat();
????????goat.setName("山羊");
????????goat.setAge(3);
????????goat.setColor("灰色");
????????for?(int?i?=?0;?i?5;?i++)?{
????????????sheepList.add(goat.clone());
????????}

????????Lamb?lamb?=?new?Lamb();
????????lamb.setName("羔羊");
????????lamb.setAge(2);
????????lamb.setColor("白色");
????????for?(int?i?=?0;?i?5;?i++)?{
????????????sheepList.add(lamb.clone());
????????????System.out.println(lamb.hashCode()+","+lamb.clone().hashCode());
????????}

????????for?(Sheep?sheep?:?sheepList)?{
????????????System.out.println(sheep.toString());
????????}
}

原型模式將克隆過程委派給被克隆的實際對象。模式為所有支持克隆的對象聲明了一個通用接口， 該接口讓你能夠克隆對象，同時又無需將代碼和對象所屬類耦合。通常情況下，這樣的接口中僅包含一個 克隆方法。

所有的類對 克隆方法的實現(xiàn)都非常相似。該方法會創(chuàng)建一個當前類的對象， 然后將原始對象所有的成員變量值復制到新建的類中。你甚至可以復制私有成員變量， 因為絕大部分編程語言都允許對象訪問其同類對象的私有成員變量。

支持克隆的對象即為原型。當你的對象有幾十個成員變量和幾百種類型時， 對其進行克隆甚至可以代替子類的構(gòu)造。

優(yōu)勢

使用原型模式創(chuàng)建對象比直接 new 一個對象在性能上要好的多，因為 Object 類的 clone 方法是一個本地方法，它直接操作內(nèi)存中的二進制流，特別是復制大對象時，性能的差別非常明顯。

使用原型模式的另一個好處是簡化對象的創(chuàng)建，使得創(chuàng)建對象就像我們在編輯文檔時的復制粘貼一樣簡單。

因為以上優(yōu)點，所以在需要重復地創(chuàng)建相似對象時可以考慮使用原型模式。比如需要在一個循環(huán)體內(nèi)創(chuàng)建對象，假如對象創(chuàng)建過程比較復雜或者循環(huán)次數(shù)很多的話，使用原型模式不但可以簡化創(chuàng)建過程，而且可以使系統(tǒng)的整體性能提高很多。

適用場景

《Head First 設(shè)計模式》是這么形容原型模式的：當創(chuàng)建給定類的實例的過程很昂貴或很復雜時，就是用原型模式。

如果你需要復制一些對象，同時又希望代碼獨立于這些對象所屬的具體類，可以使用原型模式。

如果子類的區(qū)別僅在于其對象的初始化方式， 那么你可以使用該模式來減少子類的數(shù)量。別人創(chuàng)建這些子類的目的可能是為了創(chuàng)建特定類型的對象

原型模式在 Spring 中的應(yīng)用

我們都知道 Spring bean 默認是單例的，但是有些場景可能需要原型范圍，如下

<bean?id="sheep"?class="priv.starfish.prototype.Sheep"?scope="prototype">
???<property?name="name"?value="肖恩"/>
???<property?name="age"?value="2"/>
???<property?name="color"?value="白色"/>
bean>

同樣，王二小還是有 10 只羊，感興趣的也可以看下他們創(chuàng)建的對象是不是同一個

public?class?Client?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????ApplicationContext?context?=?new?ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");
????????for?(int?i?=?0;?i?10;?i++)?{
????????????Object?bean?=?context.getBean("sheep");
????????????System.out.println(bean);
????????}
????}
}

感興趣的同學可以深入源碼看下具體的實現(xiàn)，在 AbstractBeanFactory 的 doGetBean() 方法中

原型模式的注意事項

• 使用原型模式復制對象不會調(diào)用類的構(gòu)造方法。因為對象的復制是通過調(diào)用 Object 類的 clone 方法來完成的，它直接在內(nèi)存中復制數(shù)據(jù)，因此不會調(diào)用到類的構(gòu)造方法。不但構(gòu)造方法中的代碼不會執(zhí)行，甚至連訪問權(quán)限都對原型模式無效。還記得單例模式嗎？單例模式中，只要將構(gòu)造方法的訪問權(quán)限設(shè)置為 private 型，就可以實現(xiàn)單例。但是 clone 方法直接無視構(gòu)造方法的權(quán)限，所以，單例模式與原型模式是沖突的，在使用時要特別注意。
• 深拷貝與淺拷貝。Object 類的 clone方法只會拷貝對象中的基本的數(shù)據(jù)類型，對于數(shù)組、容器對象、引用對象等都不會拷貝，這就是淺拷貝。如果要實現(xiàn)深拷貝，必須將原型模式中的數(shù)組、容器對象、引用對象等另行拷貝。

淺拷貝和深拷貝

首先需要明白，淺拷貝和深拷貝都是針對一個已有對象的操作。

在 Java 中，除了基本數(shù)據(jù)類型（元類型）之外，還存在 類的實例對象 這個引用數(shù)據(jù)類型。而一般使用 『 = 』號做賦值操作的時候。對于基本數(shù)據(jù)類型，實際上是拷貝的它的值，但是對于對象而言，其實賦值的只是這個對象的引用，將原對象的引用傳遞過去，他們實際上還是指向的同一個對象。

而淺拷貝和深拷貝就是在這個基礎(chǔ)之上做的區(qū)分，如果在拷貝這個對象的時候，只對基本數(shù)據(jù)類型進行了拷貝，而對引用數(shù)據(jù)類型只是進行了引用的傳遞，而沒有真實的創(chuàng)建一個新的對象，則認為是淺拷貝。反之，在對引用數(shù)據(jù)類型進行拷貝的時候，創(chuàng)建了一個新的對象，并且復制其內(nèi)的成員變量，則認為是深拷貝。

“

所謂的淺拷貝和深拷貝，只是在拷貝對象的時候，對 類的實例對象 這種引用數(shù)據(jù)類型的不同操作而已

淺拷貝

1. 對于數(shù)據(jù)類型是基本數(shù)據(jù)類型的成員變量，淺拷貝會直接進行值傳遞，也就是將該屬性值復制一份給新的對象。

2. 對于數(shù)據(jù)類型是引用數(shù)據(jù)類型的成員變量，比如說成員變量是某個數(shù)組、某個類的對象等，那么淺拷貝會進行引用傳遞，也就是只是將該成員變量的引用值(內(nèi)存地址)復制一份給新的對象。因為實際上兩個對象的該成員變量都指向同一個實例。在這種情況下，在一個對象中修改該成員變量會影響到另一個對象的該成員變量值

3. 前面我們克隆羊就是淺拷貝，如果我們在 Sheep 中加一個對象類型的屬性，public Sheep child;可以看到 s 和 s1 的 friend 是同一個。

??Sheep?s?=?new?Sheep();
??s.setName("sss");
??
??s.friend?=?new?Sheep();
??s.friend.setName("喜洋洋");
??
??Sheep?s1?=?s.clone();
??System.out.println(s?==?s1);
??System.out.println(s.hashCode()+"---"+s.clone().hashCode());
??
??System.out.println(s.friend?==?s1.friend);
??System.out.println(s.friend.hashCode()?+?"---"?+s1.friend.hashCode());

false
621009875---1265094477
true
2125039532---2125039532

深拷貝

現(xiàn)在我們知道 clone() 方法，只能對當前對象進行淺拷貝，引用類型依然是在傳遞引用。那如何進行一個深拷貝呢？

常見的深拷貝實現(xiàn)方式有兩種：

1. 重寫 clone 方法來實現(xiàn)深拷貝
2. 通過對象序列化實現(xiàn)深拷貝

淺拷貝和深拷貝只是相對的，如果一個對象內(nèi)部只有基本數(shù)據(jù)類型，那用 clone() 方法獲取到的就是這個對象的深拷貝，而如果其內(nèi)部還有引用數(shù)據(jù)類型，那用 clone() 方法就是一次淺拷貝的操作。

你點的每個贊，我都認真當成了喜歡