【JAVA面试题】设计模式之原型模式

一、原型模式核心概念

原型模式（Prototype Pattern） 是一种创建型设计模式，通过复制现有对象（原型）来创建新对象，避免反复初始化带来的性能损耗。适用于需要高频创建相似对象的场景。

二、原型模式实战案例：敌机生成优化

1. 原始方案性能缺陷

java 复制代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        List<EnemyPlane> enemyPlanes = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            // 每次new对象导致性能损耗
            EnemyPlane ep = new EnemyPlane(new Random().nextInt(200));
            enemyPlanes.add(ep);
        }
    }
}

问题：循环内频繁实例化对象，触发类加载、初始化等流程，性能低下。

2. 原型模式优化实现

2.1 实现Cloneable接口

java 复制代码

public class EnemyPlane implements Cloneable {
    private int x;
    private int y = 0;

    public EnemyPlane(int x) { this.x = x; }

    // 开放坐标修改（克隆后调整状态）
    public void setX(int x) { this.x = x; }

    @Override
    public EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (EnemyPlane) super.clone(); // JVM内存拷贝，效率极高
    }
}

2.2 原型工厂封装

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public class EnemyPlaneFactory {
    private static EnemyPlane protoType = new EnemyPlane(200); // 原型实例
    
    public static EnemyPlane getInstance(int x) throws CloneNotSupportedException {
        EnemyPlane clone = protoType.clone();
        clone.setX(x); // 调整克隆体坐标
        return clone;
    }
}

优势：克隆仅需0 - 1 ms，相比new操作（10~50ms）性能提升10倍以上。

三、深浅拷贝核心问题与解决方案

浅拷贝：只复制对象的值类型字段和引用类型字段的地址，导致多个对象共享同一个引用对象。
深拷贝：不仅复制对象的值类型字段，还会递归复制引用类型字段的实际对象，确保每个对象都有独立的引用对象。

1. 浅拷贝陷阱

当对象包含引用类型字段时：

java 复制代码

public class EnemyPlane implements Cloneable {
    private Bullet bullet = new Bullet(); // 引用类型
    // ...
    
    @Override
    public EnemyPlane clone() {
        return (EnemyPlane) super.clone(); // 浅拷贝：bullet地址被复制
    }
}

问题：克隆后的敌机会共享同一颗子弹对象，修改任意克隆体的子弹属性会影响所有实例。

2. 深拷贝实现

java 复制代码

public class EnemyPlane implements Cloneable {
    private Bullet bullet;
    
    @Override
    public EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {
        EnemyPlane clone = (EnemyPlane) super.clone(); // 浅拷贝：复制值类型字段和引用地址
        clone.bullet = this.bullet.clone(); // 深拷贝：递归克隆引用对象
        return clone;
    }
}

// Bullet也需实现Cloneable
public class Bullet implements Cloneable {
    @Override
    public Bullet clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Bullet) super.clone();
    }
}

关键点：

所有嵌套对象都需实现Cloneable
递归调用clone方法形成克隆链

四、原型模式应用场景

场景	说明
对象创建成本高	如需要复杂初始化的网络连接对象
高频创建相似对象	游戏中的子弹/敌机生成、文档模板克隆
需要隔离对象创建细节	不希望调用方依赖具体类构造函数

五、面试要点总结

原型模式核心价值
- 避免重复初始化，提升对象创建性能
- 简化复杂对象创建流程
深浅拷贝区别
- 浅拷贝：复制值类型+引用地址（共享引用对象）
- 深拷贝：完全复制值类型和引用对象（递归克隆）
实现深拷贝的三种方式
- 递归实现Cloneable（如本文示例）
- 序列化/反序列化（实现Serializable）
- 使用第三方库（Apache Commons Lang3）
JDK中的原型应用
- ArrayList.clone()
- Arrays.copyOf()
注意事项
- 深拷贝可能引发循环引用问题
- 需要处理final字段的特殊情况
- 考虑使用原型管理器管理多种原型