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原型模式(原型设计模式)详解

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在有些系统中,存在大量相同或相似对象的创建问题,如果用传统的构造函数来创建对象,会比较复杂且耗时耗资源,用原型模式生成对象就很高效,就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。

原型模式的定义与特点

原型(Prototype)模式的定义如下: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相同或相似的新对象。在这里,原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效,根本无须知道对象创建的细节。例如,Windows 操作系统的安装通常较耗时,如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多,这里不一一列举了。

原型模式的结构与实现

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法,所以用 Java 实现原型模式很简单。

1. 模式的结构

原型模式包含以下主要角色。
  1. 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的接口。
  2. 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。
  3. 访问类:使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

其结构图如图 1 所示。

原型模式的结构图
图1 原型模式的结构图

2. 模式的实现

原型模式的克隆分为浅克隆深克隆,Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法,具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆,这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下:
//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable
{
    Realizetype()
    {
        System.out.println("具体原型创建成功!");
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException
    {
        System.out.println("具体原型复制成功!");
        return (Realizetype)super.clone();
    }
}
//原型模式的测试类
public class PrototypeTest
{
    public static void main(String[] args)throws CloneNotSupportedException
    {
        Realizetype obj1=new Realizetype();
        Realizetype obj2=(Realizetype)obj1.clone();
        System.out.println("obj1==obj2?"+(obj1==obj2));
    }
}

程序的运行结果如下:
具体原型创建成功!
具体原型复制成功!
obj1==obj2?false

原型模式的应用实例

【例1】用原型模式模拟“孙悟空”复制自己。

分析:孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空,这实际上是用到了原型模式。这里的孙悟空类 SunWukong 是具体原型类,而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型类。

同前面介绍的猪八戒实例一样,由于要显示孙悟空的图像(点击此处下载该程序所要显示的孙悟空的图片),所以将孙悟空类定义成面板 JPanel 的子类,里面包含了标签,用于保存孙悟空的图像。

另外,重写了 Cloneable 接口的 clone() 方法,用于复制新的孙悟空。访问类可以通过调用孙悟空的 clone() 方法复制多个孙悟空,并在框架窗体 JFrame 中显示。图 2 所示是其结构图。

孙悟空生成器的结构图
图2 孙悟空生成器的结构图

程序代码如下:
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
class SunWukong extends JPanel implements Cloneable
{
    private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;
    public SunWukong()
    {
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));
        this.add(l1);   
    }
    public Object clone()
    {
        SunWukong w=null;
        try
        {
            w=(SunWukong)super.clone();
        }
        catch(CloneNotSupportedException e)
        {
            System.out.println("拷贝悟空失败!");
        }
        return w;
    }
}
public class ProtoTypeWukong
{
    public static void main(String[] args)
    {
        JFrame jf=new JFrame("原型模式测试");
        jf.setLayout(new GridLayout(1,2));
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        SunWukong obj1=new SunWukong();
        contentPane.add(obj1);       
        SunWukong obj2=(SunWukong)obj1.clone();
        contentPane.add(obj2);   
        jf.pack();       
        jf.setVisible(true);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);   
    }
}

程序的运行结果如图 3 所示。

孙悟空克隆器的运行结果
图3 孙悟空克隆器的运行结果

用原型模式除了可以生成相同的对象,还可以生成相似的对象,请看以下实例。

【例2】用原型模式生成“三好学生”奖状。

分析:同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同,其他都相同,属于相似对象的复制,同样可以用原型模式创建,然后再做简单修改就可以了。图 4 所示是三好学生奖状生成器的结构图。

奖状生成器的结构图
图4 奖状生成器的结构图

程序代码如下:
public class ProtoTypeCitation
{
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException
    {
        citation obj1=new citation("张三","同学:在2016学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。","韶关学院");
        obj1.display();
        citation obj2=(citation) obj1.clone();
        obj2.setName("李四"); 
        obj2.display();
    }
}
//奖状类
class citation implements Cloneable
{
    String name;
    String info;
    String college;
    citation(String name,String info,String college)
    {
        this.name=name;
        this.info=info;
        this.college=college;
        System.out.println("奖状创建成功!");
    }
    void setName(String name)
    {
        this.name=name;
    }
    String getName()
    {
        return(this.name);
    }
    void display()
    {
        System.out.println(name+info+college);
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException
    {
        System.out.println("奖状拷贝成功!");
        return (citation)super.clone();
    }
}

程序运行结果如下:
奖状创建成功!
张三同学:在2016学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。韶关学院
奖状拷贝成功!
李四同学:在2016学年第一学期中表现优秀,被评为三好学生。韶关学院

原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景。
  • 对象之间相同或相似,即只是个别的几个属性不同的时候。
  • 对象的创建过程比较麻烦,但复制比较简单的时候。

原型模式的扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式,它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型,Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图 5 所示。

带原型管理器的原型模式的结构图
图5 带原型管理器的原型模式的结构图

【例3】用带原型管理器的原型模式来生成包含“圆”和“正方形”等图形的原型,并计算其面积。分析:本实例中由于存在不同的图形类,例如,“圆”和“正方形”,它们计算面积的方法不一样,所以需要用一个原型管理器来管理它们,图 6 所示是其结构图。

图形生成器的结构图
图6 图形生成器的结构图

程序代码如下:
import java.util.*;
interface Shape extends Cloneable
{
    public Object clone();    //拷贝
    public void countArea();    //计算面积
}
class Circle implements Shape
{
    public Object clone()
    {
        Circle w=null;
        try
        {
            w=(Circle)super.clone();
        }
        catch(CloneNotSupportedException e)
        {
            System.out.println("拷贝圆失败!");
        }
        return w;
    }
    public void countArea()
    {
        int r=0;
        System.out.print("这是一个圆,请输入圆的半径:");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        r=input.nextInt();
        System.out.println("该圆的面积="+3.1415*r*r+"n");
    }
}
class Square implements Shape
{
    public Object clone()
    {
        Square b=null;
        try
        {
            b=(Square)super.clone();
        }
        catch(CloneNotSupportedException e)
        {
            System.out.println("拷贝正方形失败!");
        }
        return b;
    }
    public void countArea()
    {
        int a=0;
        System.out.print("这是一个正方形,请输入它的边长:");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        a=input.nextInt();
        System.out.println("该正方形的面积="+a*a+"n");
    }
}
class ProtoTypeManager
{
    private HashMap<String, Shape>ht=new HashMap<String,Shape>(); 
    public ProtoTypeManager()
    {
        ht.put("Circle",new Circle());
           ht.put("Square",new Square());
    } 
    public void addshape(String key,Shape obj)
    {
        ht.put(key,obj);
    }
    public Shape getShape(String key)
    {
        Shape temp=ht.get(key);
        return (Shape) temp.clone();
    }
}
public class ProtoTypeShape
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ProtoTypeManager pm=new ProtoTypeManager();    
        Shape obj1=(Circle)pm.getShape("Circle");
        obj1.countArea();          
        Shape obj2=(Shape)pm.getShape("Square");
        obj2.countArea();     
    }
}

运行结果如下所示:
这是一个圆,请输入圆的半径:3
该圆的面积=28.2735

这是一个正方形,请输入它的边长:3
该正方形的面积=9
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