五.克隆模式

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。

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：

1. //具体原型类
2. class Realizetype implements Cloneable
3. {
4. Realizetype()
5. {
6. System.out.println("具体原型创建成功！");
7. }
8. public Object clone() throws CloneNotSupportedException
9. {
10. System.out.println("具体原型复制成功！");
11. return (Realizetype)super.clone();
12. }
13. }
14. //原型模式的测试类
15. public class PrototypeTest
16. {
17. public static void main(String[] args)throws CloneNotSupportedException
18. {
19. Realizetype obj1=new Realizetype();
20. Realizetype obj2=(Realizetype)obj1.clone();
21. System.out.println("obj1==obj2?"+(obj1==obj2));
22. }
23. }

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：

1. import java.awt.*;
2. import javax.swing.*;
3. class SunWukong extends JPanel implements Cloneable
4. {
5. private static final long serialVersionUID = 5543049531872119328L;
6. public SunWukong()
7. {
8. JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/Wukong.jpg"));
9. this.add(l1);
10. }
11. public Object clone()
12. {
13. SunWukong w=null;
14. try
15. {
16. w=(SunWukong)super.clone();
17. }
18. catch(CloneNotSupportedException e)
19. {
20. System.out.println("拷贝悟空失败!");
21. }
22. return w;
23. }
24. }
25. public class ProtoTypeWukong
26. {
27. public static void main(String[] args)
28. {
29. JFrame jf=new JFrame("原型模式测试");
30. jf.setLayout(new GridLayout(1,2));
31. Container contentPane=jf.getContentPane();
32. SunWukong obj1=new SunWukong();
33. contentPane.add(obj1);
34. SunWukong obj2=(SunWukong)obj1.clone();
35. contentPane.add(obj2);
36. jf.pack();
37. jf.setVisible(true);
38. jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
39. }
40. }

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：

1. public class ProtoTypeCitation
2. {
3. public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException
4. {
5. 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");
6. obj1.display();
7. citation obj2=(citation) obj1.clone();
8. obj2.setName("李四");
9. obj2.display();
10. }
11. }
12. //奖状类
13. class citation implements Cloneable
14. {
15. String name;
16. String info;
17. String college;
18. citation(String name,String info,String college)
19. {
20. this.name=name;
21. this.info=info;
22. this.college=college;
23. System.out.println("奖状创建成功！");
24. }
25. void setName(String name)
26. {
27. this.name=name;
28. }
29. String getName()
30. {
31. return(this.name);
32. }
33. void display()
34. {
35. System.out.println(name+info+college);
36. }
37. public Object clone() throws CloneNotSupportedException
38. {
39. System.out.println("奖状拷贝成功！");
40. return (citation)super.clone();
41. }
42. }

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：

1. import java.util.*;
2. interface Shape extends Cloneable
3. {
4. public Object clone(); //拷贝
5. public void countArea(); //计算面积
6. }
7. class Circle implements Shape
8. {
9. public Object clone()
10. {
11. Circle w=null;
12. try
13. {
14. w=(Circle)super.clone();
15. }
16. catch(CloneNotSupportedException e)
17. {
18. System.out.println("拷贝圆失败!");
19. }
20. return w;
21. }
22. public void countArea()
23. {
24. int r=0;
25. System.out.print("这是一个圆，请输入圆的半径：");
26. Scanner input=new Scanner(System.in);
27. r=input.nextInt();
28. System.out.println("该圆的面积="+3.1415*r*r+" ");
29. }
30. }
31. class Square implements Shape
32. {
33. public Object clone()
34. {
35. Square b=null;
36. try
37. {
38. b=(Square)super.clone();
39. }
40. catch(CloneNotSupportedException e)
41. {
42. System.out.println("拷贝正方形失败!");
43. }
44. return b;
45. }
46. public void countArea()
47. {
48. int a=0;
49. System.out.print("这是一个正方形，请输入它的边长：");
50. Scanner input=new Scanner(System.in);
51. a=input.nextInt();
52. System.out.println("该正方形的面积="+a*a+" ");
53. }
54. }
55. class ProtoTypeManager
56. {
57. private HashMap<String, Shape>ht=new HashMap<String,Shape>();
58. public ProtoTypeManager()
59. {
60. ht.put("Circle",new Circle());
61. ht.put("Square",new Square());
62. }
63. public void addshape(String key,Shape obj)
64. {
65. ht.put(key,obj);
66. }
67. public Shape getShape(String key)
68. {
69. Shape temp=ht.get(key);
70. return (Shape) temp.clone();
71. }
72. }
73. public class ProtoTypeShape
74. {
75. public static void main(String[] args)
76. {
77. ProtoTypeManager pm=new ProtoTypeManager();
78. Shape obj1=(Circle)pm.getShape("Circle");
79. obj1.countArea();
80. Shape obj2=(Shape)pm.getShape("Square");
81. obj2.countArea();
82. }
83. }

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