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原型模式（Prototype Pattern）

原型模式是一种 创建型设计模式，通过复制现有的实例来创建新的对象，而不是通过实例化（new）来创建，从而提高性能。

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原理

1. 核心思想：提供一个现有对象的模板，通过克隆来创建新的对象。
2. 适用场景：当对象的创建成本较高，且需要多个类似的对象时，使用原型模式可以提高效率。
3. 参与角色：
   • Prototype（原型接口）：定义克隆方法（通常为 clone()）。
   • ConcretePrototype（具体原型类）：实现克隆方法，负责实际对象的复制。
   • Client（客户端）：通过调用克隆方法创建对象。

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优点

1. 性能高效：通过克隆对象避免了复杂的对象创建过程。
2. 动态性强：可以在运行时动态创建对象，而不需要依赖具体类。
3. 灵活性：对于复杂对象可以深拷贝，从而实现完全独立的复制。

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缺点

1. 实现复杂：需要实现深拷贝时，可能会引入额外的复杂性。
2. 资源消耗：对于深拷贝，克隆过程可能涉及大量的递归或额外的代码。

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示例代码

1. 定义原型接口

// 定义原型接口
public interface Prototype extends Cloneable {Prototype clone();
}

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2. 具体原型类

// 具体原型类
public class ConcretePrototype implements Prototype {private String name;public ConcretePrototype(String name) {this.name = name;}// 实现克隆方法@Overridepublic Prototype clone() {try {return (Prototype) super.clone(); // 浅拷贝} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}}// Getter 和 Setterpublic String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return "ConcretePrototype{name='" + name + "'}";}
}

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3. 客户端代码

public class PrototypeExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个原型对象ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype("Original");// 克隆对象ConcretePrototype clone1 = (ConcretePrototype) prototype.clone();ConcretePrototype clone2 = (ConcretePrototype) prototype.clone();// 修改克隆对象clone1.setName("Clone 1");clone2.setName("Clone 2");// 打印结果System.out.println("Original: " + prototype);System.out.println("Clone 1: " + clone1);System.out.println("Clone 2: " + clone2);}
}

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输出结果

Original: ConcretePrototype{name='Original'}
Clone 1: ConcretePrototype{name='Clone 1'}
Clone 2: ConcretePrototype{name='Clone 2'}

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深拷贝和浅拷贝

• 浅拷贝：
  • 复制对象时，只复制基本类型字段。
  • 对于引用类型字段，只复制引用地址（共享同一个引用对象）。

@Override
public Prototype clone() {try {return (Prototype) super.clone(); // 默认浅拷贝} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}
}

• 深拷贝：
  • 复制对象时，除了基本类型字段，还需要递归复制引用类型字段，确保拷贝对象完全独立。

@Override
public Prototype clone() {try {ConcretePrototype cloned = (ConcretePrototype) super.clone();cloned.setReference(new Reference(this.reference.getValue())); // 手动深拷贝return cloned;} catch (CloneNotSupportedException e) {throw new RuntimeException("Clone not supported", e);}
}

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使用场景

1. 对象创建开销大：
   • 数据库连接对象、线程池对象。
2. 重复对象相似度高：
   • 图形界面中的按钮、表单等 UI 元素。
3. 需要动态创建类的实例：
   • 在运行时动态加载并复制类。

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UML 类图

        +-------------------+|    Prototype      |+-------------------+|  + clone()        |+-------------------+^|+-------------------+| ConcretePrototype |+-------------------+|  - name           ||  + clone()        |+-------------------+^|+-------------------+|     Client        |+-------------------+

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小结

• 原型模式通过克隆对象来避免复杂对象的直接创建过程，提高了代码的灵活性和性能。
• 使用时需特别注意 深拷贝 和 浅拷贝 的实现，尤其是对象中包含引用类型时。