Java设计模式 —— 【创建型模式】原型模式（浅拷贝、深拷贝）详解

重生之绝世牛码2024-11-28 19:50

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前言

先看一下传统的对象克隆方式：

原型类：

java 复制代码 
public class Student {
    private String name;

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{'name' = " + name + "}, " + 
        		"hashCode = " + this.hashCode();
    }
}

克隆：

java 复制代码 
@Test
public void test(){
    //原型对象
    Student student = new Student("张三");

    //克隆对象
    Student student1 = new Student(student.getName());
    Student student2 = new Student(student.getName());
    Student student3 = new Student(student.getName());

    System.out.println("原型对象: " + student);
    System.out.println("克隆对象1: " + student1);
    System.out.println("克隆对象2: " + student2);
    System.out.println("克隆对象3: " + student3);
}
  1. 优点是比较好理解，简单易操作；
  2. 在创建新的对象时，总是需要重新获取原始对象的属性，如果创建的对象比较复杂时，效率较低；
  3. 总是需要重新初始化对象，而不是动态地获得对象运行时的状态, 不够灵活。

原型模式

  1. 原型模式(Prototype模式)是指：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型，创建新的对象；
  2. 原型模式是一种创建型设计模式，允许一个对象再创建另外一个可定制的对象，无需知道如何创建的细节；
  3. 工作原理是: 通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象，这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建，即 对象.clone()。

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对象相同的新对象。

原型模式包含如下角色：

  • 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的的 clone() 方法。
  • 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。

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

  • 浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
  • 深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

一、浅拷贝

1、案例

对于上文中的克隆方法加以改进：

原型类：

java 复制代码 
public class Student implements Cloneable {
    private String name;

    public Student(String name) {
        System.out.println("原型对象创建成功！！！");
        this.name = name;
    }

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

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{'name' = " + name + "}, " + 
        		"hashCode = " + this.hashCode();
    }

    //实现对象克隆
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        System.out.println("克隆成功！！！");
        return super.clone();
    }
}

测试：

java 复制代码 
@Test
public void test1() throws CloneNotSupportedException {
    Student newStudent = new Student("张三");
    Student cloneStudent = (Student) newStudent.clone();

    System.out.println("原型对象: " + newStudent);
    System.out.println("克隆对象: " + cloneStudent);
}

2、引用数据类型

  • 上述案例中我们可以看出克隆是克隆成功了，并且没有走构造方法，所克隆出的对象地址和原对象地址不一样，是新的对象；

  • 对于数据类型是基本数据类型的成员变量，浅拷贝会直接进行值传递，也就是将该属性值复制一份给新的对象；

  • 但是引用数据类型的成员变量，比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等,并没有new 一个新的对象，而是进行引用传递指向原有的引用；

  • 在这种情况下，在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值。

我们添加原型类的成员变量：

School:

java 复制代码 
public class School {
    private String name;

    public School(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

Student:

java 复制代码 
public class Student implements Cloneable {
    private String name;
    private School school;

    public Student(String name, School school) {
        this.name = name;
        this.school = school;
    }

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

    public School getSchool() {
        return school;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{'name' = " + name + ", 'school' = " + school.getName() + "}, " +
                "Student.hashCode = " + this.hashCode() + ", " +
                "name.hashCode" + name.hashCode() + ", " +
                "School.hashCode = " + school.hashCode();
    }

    //实现对象克隆
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

测试：

java 复制代码 
@Test
public void test2() throws CloneNotSupportedException {
    Student newStudent = new Student("张三", new School("清华"));
    Student cloneStudent = (Student) newStudent.clone();

    System.out.println("原型对象：" + newStudent);
    System.out.println("克隆对象：" + cloneStudent);

    System.out.println("=====================修改克隆对象信息========================");
    cloneStudent.setName("李四");
    cloneStudent.getSchool().setName("北大");
    System.out.println("修改后的原型对象：" + newStudent);
    System.out.println("修改后的克隆对象：" + cloneStudent);
}

上述案例可以看出：

  • 克隆确实产生新的对象，但是引用数据类型只是进行了引用传递；
  • 以至于我们修改了cloneStudent的学校，newStudent也随之修改了；
  • 那为什么String也是引用数据类型，cloneStudent的那么由"张三"改为"李四"，而newStudent没有呢，那是因为String不可变，传入新的，当然指向新的地址了。

二、深拷贝

  1. 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值

  2. 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间，并复制每个引用数据类型成员量所引用的对象，直到该对象可达的所有对象。也就是说，对象进行深拷贝要对整个对象进行拷贝

  3. 深拷贝实现方式有两种
    - 重写clone方法来实现深拷贝

    - 通过对象序列化实现深拷贝(推荐)

1、重写clone()方法

  • 重写clone方法主要是在原有的克隆的基础上，将引用数据类型再进行嵌套克隆；

  • 每个被引用的类也要实现Cloneable接口，重写clone()方法；

  • 这对全新的类来说不是很难，但对已有的类进行改造时，需要修改其源代码，违背开闭原则。

School：

java 复制代码 
public class School implements Cloneable{
    private String name;

    public School(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

Student：

java 复制代码 
public class Student implements Cloneable {
    private String name;
    private School school;

    public Student(String name, School school) {
        this.name = name;
        this.school = school;
    }

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

    public School getSchool() {
        return school;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{'name' = " + name + ", 'school' = " + school.getName() + "}, " +
                "Student.hashCode = " + this.hashCode() + ", " +
                "name.hashCode" + name.hashCode() + ", " +
                "School.hashCode = " + school.hashCode();
    }

    //实现对象克隆
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        //克隆基本数据类型以及String
        Student student = (Student) super.clone();
        //引用数据类型再进行克隆
        student.school = (School) student.getSchool().clone();
        return student;
    }
}

测试：

java 复制代码 
@Test
public void test3() throws CloneNotSupportedException {
    Student newStudent = new Student("张三", new School("清华"));
    Student cloneStudent = (Student) newStudent.clone();

    System.out.println("原型对象：" + newStudent);
    System.out.println("克隆对象：" + cloneStudent);

    System.out.println("=====================修改克隆对象信息========================");
    cloneStudent.setName("李四");
    cloneStudent.getSchool().setName("北大");
    System.out.println("修改后的原型对象：" + newStudent);
    System.out.println("修改后的克隆对象：" + cloneStudent);
}

2、序列化

涉及到的所有类必须实现Serializable接口，否则会抛NotSerializableException异常。

School：

java 复制代码 
public class School implements Serializable{
    private String name;

    public School(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

Student：

java 复制代码 
public class Student implements Serializable {
    private String name;
    private School school;

    public Student(String name, School school) {
        this.name = name;
        this.school = school;
    }

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

    public School getSchool() {
        return school;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{'name' = " + name + ", 'school' = " + school.getName() + "}, " +
                "Student.hashCode = " + this.hashCode() + ", " +
                "name.hashCode" + name.hashCode() + ", " +
                "School.hashCode = " + school.hashCode();
    }

    public Student deepClone() {
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;

        try {
            //序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            oos.writeObject(this);

            //反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            return (Student) ois.readObject();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            try {
                if (bos != null) bos.close();
                if (oos != null) oos.close();
                if (bis != null) bis.close();
                if (ois != null) ois.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

测试：

java 复制代码 
@Test
public void test4() throws CloneNotSupportedException {
    Student newStudent = new Student("张三", new School("清华"));
    Student cloneStudent = newStudent.deepClone();

    System.out.println("原型对象：" + newStudent);
    System.out.println("克隆对象：" + cloneStudent);

    System.out.println("=====================修改克隆对象信息========================");
    cloneStudent.setName("李四");
    cloneStudent.getSchool().setName("北大");
    System.out.println("修改后的原型对象：" + newStudent);
    System.out.println("修改后的克隆对象：" + cloneStudent);
}

总结

原型模式的注意事项和细节：

  1. 创建新的对象比较复杂时，可以利用原型模式简化对象的创建过程，同时也能够提高效率；
  2. 不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态；
  3. 如果原始对象发生变化(增加或者减少属性)，其它克隆对象的也会发生相应的变化，无需修改代码；
  4. 需要注意浅拷贝的成员变量数据类型是引用数据类型（对象）的时候；
  5. 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码建议使用序列化方式；
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