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原型模式(原型設計模式)詳解

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在有些系統中,存在大量相同或相似對象的創建問題,如果用傳統的構造函數來創建對象,會比較復雜且耗時耗資源,用原型模式生成對象就很高效,就像孫悟空拔下猴毛輕輕一吹就變出很多孫悟空一樣簡單。

原型模式的定義與特點

原型(Prototype)模式的定義如下:用一個已經創建的實例作為原型,通過復制該原型對象來創建一個和原型相同或相似的新對象。在這里,原型實例指定了要創建的對象的種類。用這種方式創建對象非常高效,根本無須知道對象創建的細節。例如,Windows 操作系統的安裝通常較耗時,如果復制就快了很多。在生活中復制的例子非常多,這里不一一列舉了。

原型模式的結構與實現

由于 Java 提供了對象的 clone() 方法,所以用 Java 實現原型模式很簡單。

1. 模式的結構

原型模式包含以下主要角色。
  1. 抽象原型類:規定了具體原型對象必須實現的接口。
  2. 具體原型類:實現抽象原型類的 clone() 方法,它是可被復制的對象。
  3. 訪問類:使用具體原型類中的 clone() 方法來復制新的對象。

其結構圖如圖 1 所示。

原型模式的結構圖
圖1 原型模式的結構圖

2. 模式的實現

原型模式的克隆分為淺克隆深克隆,Java 中的 Object 類提供了淺克隆的 clone() 方法,具體原型類只要實現 Cloneable 接口就可實現對象的淺克隆,這里的 Cloneable 接口就是抽象原型類。其代碼如下:
//具體原型類
class Realizetype implements Cloneable
{
    Realizetype()
    {
        System.out.println("具體原型創建成功!");
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException
    {
        System.out.println("具體原型復制成功!");
        return (Realizetype)super.clone();
    }
}
//原型模式的測試類
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));
    }
}

程序的運行結果如下:
具體原型創建成功!
具體原型復制成功!
obj1==obj2?false

原型模式的應用實例

【例1】用原型模式模擬“孫悟空”復制自己。

分析:孫悟空拔下猴毛輕輕一吹就變出很多孫悟空,這實際上是用到了原型模式。這里的孫悟空類 SunWukong 是具體原型類,而 Java 中的 Cloneable 接口是抽象原型類。

同前面介紹的豬八戒實例一樣,由于要顯示孫悟空的圖像(點擊此處下載該程序所要顯示的孫悟空的圖片),所以將孫悟空類定義成面板 JPanel 的子類,里面包含了標簽,用于保存孫悟空的圖像。

另外,重寫了 Cloneable 接口的 clone() 方法,用于復制新的孫悟空。訪問類可以通過調用孫悟空的 clone() 方法復制多個孫悟空,并在框架窗體 JFrame 中顯示。圖 2 所示是其結構圖。

孫悟空生成器的結構圖
圖2 孫悟空生成器的結構圖

程序代碼如下:
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("拷貝悟空失敗!");
        }
        return w;
    }
}
public class ProtoTypeWukong
{
    public static void main(String[] args)
    {
        JFrame jf=new JFrame("原型模式測試");
        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);   
    }
}

程序的運行結果如圖 3 所示。

孫悟空克隆器的運行結果
圖3 孫悟空克隆器的運行結果

用原型模式除了可以生成相同的對象,還可以生成相似的對象,請看以下實例。

【例2】用原型模式生成“三好學生”獎狀。

分析:同一學校的“三好學生”獎狀除了獲獎人姓名不同,其他都相同,屬于相似對象的復制,同樣可以用原型模式創建,然后再做簡單修改就可以了。圖 4 所示是三好學生獎狀生成器的結構圖。

獎狀生成器的結構圖
圖4 獎狀生成器的結構圖

程序代碼如下:
public class ProtoTypeCitation
{
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException
    {
        citation obj1=new citation("張三","同學:在2016學年第一學期中表現優秀,被評為三好學生。","韶關學院");
        obj1.display();
        citation obj2=(citation) obj1.clone();
        obj2.setName("李四"); 
        obj2.display();
    }
}
//獎狀類
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("獎狀創建成功!");
    }
    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("獎狀拷貝成功!");
        return (citation)super.clone();
    }
}

程序運行結果如下:
獎狀創建成功!
張三同學:在2016學年第一學期中表現優秀,被評為三好學生。韶關學院
獎狀拷貝成功!
李四同學:在2016學年第一學期中表現優秀,被評為三好學生。韶關學院

原型模式的應用場景

原型模式通常適用于以下場景。
  • 對象之間相同或相似,即只是個別的幾個屬性不同的時候。
  • 對象的創建過程比較麻煩,但復制比較簡單的時候。

原型模式的擴展

原型模式可擴展為帶原型管理器的原型模式,它在原型模式的基礎上增加了一個原型管理器 PrototypeManager 類。該類用 HashMap 保存多個復制的原型,Client 類可以通過管理器的 get(String id) 方法從中獲取復制的原型。其結構圖如圖 5 所示。

帶原型管理器的原型模式的結構圖
圖5 帶原型管理器的原型模式的結構圖

【例3】用帶原型管理器的原型模式來生成包含“圓”和“正方形”等圖形的原型,并計算其面積。分析:本實例中由于存在不同的圖形類,例如,“圓”和“正方形”,它們計算面積的方法不一樣,所以需要用一個原型管理器來管理它們,圖 6 所示是其結構圖。

圖形生成器的結構圖
圖6 圖形生成器的結構圖

程序代碼如下:
import java.util.*;
interface Shape extends Cloneable
{
    public Object clone();    //拷貝
    public void countArea();    //計算面積
}
class Circle implements Shape
{
    public Object clone()
    {
        Circle w=null;
        try
        {
            w=(Circle)super.clone();
        }
        catch(CloneNotSupportedException e)
        {
            System.out.println("拷貝圓失敗!");
        }
        return w;
    }
    public void countArea()
    {
        int r=0;
        System.out.print("這是一個圓,請輸入圓的半徑:");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        r=input.nextInt();
        System.out.println("該圓的面積="+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("拷貝正方形失敗!");
        }
        return b;
    }
    public void countArea()
    {
        int a=0;
        System.out.print("這是一個正方形,請輸入它的邊長:");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        a=input.nextInt();
        System.out.println("該正方形的面積="+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();     
    }
}

運行結果如下所示:
這是一個圓,請輸入圓的半徑:3
該圓的面積=28.2735

這是一個正方形,請輸入它的邊長:3
該正方形的面積=9
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