初識設計模式 - 原型模式

来源:https://www.cnblogs.com/fatedeity/archive/2022/09/25/16727727.html
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簡介 對於大部分系統來說,創建對象包括申請記憶體、給成員變數賦值等過程,這些操作耗費的時間基本可以忽略不計。 如果對象中的數據需要經過複雜的計算才能得到(比如排序、計算哈希值),或者需要從 RPC、網路、資料庫、文件系統等非常慢速的 IO 中讀取,這其中耗費的時間有時是無法容忍的。 如果對象的創建成本 ...


簡介

對於大部分系統來說,創建對象包括申請記憶體、給成員變數賦值等過程,這些操作耗費的時間基本可以忽略不計。

如果對象中的數據需要經過複雜的計算才能得到(比如排序、計算哈希值),或者需要從 RPC、網路、資料庫、文件系統等非常慢速的 IO 中讀取,這其中耗費的時間有時是無法容忍的。

如果對象的創建成本比較大,而同一個類的不同對象之間差別不大(如大部分欄位都相同),在這種情況下,可以利用對已有對象(原型)進行複製的方式來創建新對象,以達到節省創建時間的目的。

這種基於原型來創建對象的方式就叫作原型設計模式(Prototype Design Pattern)。

具體實現

原型模式其核心就是拷貝,而在編程語言中,拷貝有兩種實現方式:深拷貝和淺拷貝。

淺拷貝

淺拷貝圖解

淺拷貝只會複製對象中基本數據類型和引用對象的記憶體地址,不會遞歸地複製引用對象,以及引用對象的引用對象……

對於淺拷貝來說,如果要拷貝的對象是不可變對象,淺拷貝共用不可變對象是沒問題的,但是對於可變對象來說,淺拷貝得到的對象和原始對象會共用部分數據,就有可能出現數據被修改的風險。

深拷貝

image

和淺拷貝不同,深拷貝得到的是一份完完全全獨立的對象,相比淺拷貝,深拷貝更加耗時、更加耗記憶體空間。

常見的深拷貝有兩種實現方式:遞歸淺拷貝對象直到只包含基本數據類型數據;序列化對象再反序列化成新的對象。實際開發中更推薦使用後者。

遞歸淺拷貝的 Java 代碼示例如下:

public class DeepProtoType implements Cloneable {
    // String 類型
    public String name;
    // 引用數據類型
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        Object deep = null;
        // 這裡完成對基本數據類型(屬性)和 String 類型的拷貝
        deep = super.clone();
        // 對引用數據類型的屬性進行單獨處理,如果有多屬性,需要一一處理
        DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType)deep;
        deepProtoType.deepCloneableTarget = (DeepCloneableTarget)deepCloneableTarget.clone();

        return deepProtoType;
    }
}

序列化對象的代碼示例如下:

public class DeepProtoType implements Serializable {
    // String 類型
    public String name;
    // 引用數據類型
    public DeepCloneableTarget deepCloneableTarget;

    public DeepProtoType() {
        super();
    }

    public Object deepClone() {
        // 創建流對象
        ByteArrayOutputStream bos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        ByteArrayInputStream bis = null;
        ObjectInputStream ois = null;

        try {
            // 序列化
            bos = new ByteArrayOutputStream();
            oos = new ObjectOutputStream(bos);
            // 當前這個對象以對象流的方式輸出
            oos.writeObject(this);

            // 反序列化
            bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
            ois = new ObjectInputStream(bis);
            DeepProtoType deepProtoType = (DeepProtoType) ois.writeObject();

            return deepProtoType;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            try {
                bos.close();
                oos.close();
                bis.close();
                ois.close();
            } catch (Exception e2) {
                System.out.println(e2.getMessage());
            }
        }
    }
}

總結

優點

原型模式的主要優點如下:

  • 當創建新的對象實例較為複雜時,使用原型模式可以簡化對象的創建過程,通過複製一個已有實例可以提高新實例的創建效率
  • 可以使用深拷貝方式保存對象的狀態,使用原型模式將對象複製一份,並將其狀態保存起來
  • 原型模式提供了簡化的創建結構

缺點

原型模式的主要缺點如下:

  • 需要為每一個類都配置一個拷貝方法
  • 拷貝方法位於類的內部,當對已有類進行改造的時候,需要修改代碼,違背了開閉原則
  • 當實現深拷貝的時候,需要編寫較為複雜的代碼,而且當對象之間存在多重嵌套引用時,為了實現深拷貝,每一層對象對應的類都必須支持深拷貝

適用場景

原型模式的適用場景如下:

  • 創建對象的成本較大,比如初始化時間長,占用 CPU 太多,或者占用網路資源太多等
  • 如果系統要保存對象的狀態,而對象的狀態變化很小,或者對象本身占用記憶體較小時,可以使用原型模式配合備忘錄模式來實現
  • 如果產生一個對象需要非常繁瑣的數據準備和訪問許可權,需要提高許可權或提高安全性

源碼

在 JDK 中,對自定義的類重寫 clone() 方法就是典型的原型模式。

首發於翔仔的個人博客,點擊查看更多。


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