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。
- 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的接口。
- 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。
其结构图如图 1 所示。
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和深克隆,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。
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。
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。
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。
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+" ");
- }
- }
- 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+" ");
- }
- }
- 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