軟體設計模式修煉 -- 原型模式

在軟體系統中，有時候需要多次創建某一型別物件，為了簡化創建程序，可以只創建一個物件，然后再通過克隆的方法復制出多個相同的物件，這就是原型模式的設計思想，

模式定義

原型模式是一種物件創建模式，用原型實體指定創建物件的種類，并且通過復制這些原型創建新的物件，

模式結構

1. Prototype(抽象原型類)

   抽象原型類是定義具有克隆自己方法的介面，是所有具體原型類的公共父類，可以是抽象類也可以是介面，

2. ConcretePrototype(具體原型類)

   具體原型類實作具體克隆方法，在克隆方法中回傳自己的一個克隆物件

3. Client(客戶類)

   讓一個原型克隆自身，從而創建一個新的物件，在客戶類中只需直接實體化或通過工廠方法等方式創建一個物件，再通過呼叫該物件的克隆方法復制多個相同的物件，

Java對原型模式的支持

Java語言中的原型模式實作很簡單，原型模式結構中定義了一個抽象原型類，所有的Java類都繼承自java.lang.Object，而Object類提供一個clone方法，可以將一個Java物件復制一份，因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法來實作物件的克隆，

需要注意的是能實作克隆的Java類必須實作一個標識介面Cloneable，表示這個Java類支持復制，如果一個類沒有實作這個介面但呼叫了clone()方法，Java編譯器將拋出一個CloneNotSupportedException例外，

public class PrototypeDemo implements Cloneable {

    @Override
    protected Object clone() {

        Object o = null;

        try {
            o = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("Not support cloneable");
        }
        return o;
    }
}

public class Client {

    PrototypeDemo prototypeDemo = new PrototypeDemo();
    PrototypeDemo prototypeDemo2 = (PrototypeDemo) prototypeDemo.clone();
}

深克隆與淺克隆

通常情況下，一個類包含一些成員物件，在使用原型模式克隆物件時，根據其成員物件是否也克隆，原型模式可分為兩種形式：深克隆和淺克隆，

1. 淺克隆

   被復制物件的所有普通成員變數都具有與原來的物件相同的值，而所有對其他物件的參考仍然指向原來物件，
   

   obj1是原型物件，obj2為復制后物件，containedObj1和containedObj2為成員物件，

2. 深克隆

   參考其他物件的變數將指向被復制過的新物件，而不是原有被參考的物件，
   
   
   

Java語言原型模式的實作

Java語言提供的clone()方法將物件復制一份并回傳給呼叫者，一般而言，clone()方法滿足：

1. 對任何物件x，都有clone() != x，即克隆物件與原物件不是同一個物件，
2. 對任何物件x，都有x.clone().getClass() == x.getClass()，即克隆物件與原物件的型別一樣，
3. 如果物件的equals()方法定義恰當，那么x.clone().equals(x)應該成立，

為了獲取物件的一份拷貝，可以利用Object類的clone()方法，具體步驟如下

1. 在派生類中覆寫基類的clone()方法，并宣告為public，
2. 在派生類的clone()方法中，呼叫super.clone()，
3. 在派生類中實作Cloneable介面

通過覆寫Object類的clone()方法實作淺克隆，如果需要實作深克隆，可以通過序列化等方式來實作，

原型模式實體之郵件復制（淺克隆）

1. 實體說明

   由于郵件物件包含的內容較多（如發送者、標題、內容、日期、附件等），某系統現需提供一個郵件復制功能，對于已經創建好的郵件物件，可以通過復制的方式創建一個新的郵件物件，如果需要改變某部分內容，無須修改原始的郵件物件，只需要修改復制后得到的郵件物件即可，本例使用淺克隆實作郵件復制，即復制郵件（E-mail）的同時不復制附件，

2. 實體代碼及解釋

   1. 抽象原型類Object

      Object作為抽象原型類，提供了克隆方法clone()，用于創建一個原型物件，其clone()方法由JVM完成具體實作，用戶在使用時無須關心，

      public class Object {
      
          protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
      }
      

   2. 具體原型類Email（郵件類）

      public class Email implements Cloneable {
      
          private Attachment attachment = null;
      
          public Email() {
      
          }
      
          public Email(Attachment attachment) {
              this.attachment = attachment;
          }
      
          public Attachment getAttachment() {
              return attachment;
          }
      
          @Override
          public Object clone() {
      
              Email clone = null;
      
              try {
                  clone = (Email) super.clone();
              } catch (CloneNotSupportedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              return clone;
          }
      }
      

   3. 附件類Attachment

      public class Attachment {
      
          public void download() {
              System.out.println("下載附件");
          }
      }
      

   4. 客戶端測驗類Client

      public class Client {
      
          public static void main(String[] args) {
      
              Email email = new Email(new Attachment());
      
              Email copyEmail = (Email) email.clone();
      
              System.out.println(email == copyEmail);
              System.out.println(email.getAttachment() == copyEmail.getAttachment());
          }
      }
      

   5. 結果分析

      編譯并運行客戶端測驗類，輸出結果如下：
      

      通過結果可以看出，復制得到的物件與原型物件的參考不一致，但兩個物件的成員物件是同一個，說明雖然物件本身復制了一份，但其成員物件在記憶體中沒有復制，原型物件與克隆物件都維持了對相同成員物件的參考，

原型模式實體之郵件復制（深克隆）

1. 實體說明

   用深克隆實作郵件復制

2. 實體代碼及解釋

   1. 具體原型類Email（郵件類）

      Email作為具體類，由于實作的是深克隆，無須使用Object的clone()方法；通過序列化的方法實作深克隆，由于要將Email型別物件寫入流中，因此Email類需實作Serializable介面，

      public class Email implements Serializable {
      
          private Attachment attachment = null;
      
          public Email() {
      
              this.attachment = new Attachment();
          }
      
          public Attachment getAttachment() {
      
              return attachment;
          }
      
          public Object deepclone() throws IOException, ClassNotFoundException {
      
              //將物件寫入流中
              ByteArrayOutputStream bao = new ByteArrayOutputStream();
              ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bao);
              oos.writeObject(this);
      
              //將物件從流中取出
              ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
              ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
              return (ois.readObject());
          }
      }
      

   2. 附件類Attachment

      Attachment型別物件也將被寫入流中，因此也需實作Serializable介面，

      public class Attachment implements Serializable {
      
          public void download() {
              System.out.println("下載附件");
          }
      }
      

   3. 客戶端測驗類Client

      public class Client {
      
          public static void main(String[] args) {
      
              Email email, copyEmail = null;
      
              email = new Email();
      
              try {
                  copyEmail = (Email) email.deepclone();
              } catch (IOException e) {
                  e.printStackTrace();
              } catch (ClassNotFoundException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
      
              System.out.println(email == copyEmail);
              System.out.println(email.getAttachment() == copyEmail.getAttachment());
          }
      }
      

   4. 結果分析

      編譯并運行客戶端測驗類，輸出結果如下：
      

      通過結果可以看出，復制得到的物件與原型物件的參考不一致，原型物件與克隆物件對成員物件的參考不相同，說明其成員物件也復制了一份，

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