2020重新出發，JAVA設計模式 之二 原型模式
原型模式（原型設計模式）詳解
在有些系統中，存在大量相同或相似物件的建立問題，如果用傳統的建構函式來建立物件，會比較複雜且耗時耗資源，用原型模式生成物件就很高效，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：用一個已經建立的例項作為原型，通過複製該原型物件來建立一個和原型相同或相似的新物件。在這裡，原型例項指定了要建立的物件的種類。用這種方式建立物件非常高效，根本無須知道物件建立的細節。
- 例如，Windows 作業系統的安裝通常較耗時，如果複製就快了很多。在生活中複製的例子非常多，這裡不一一列舉了。
原型模式的結構與實現
由於 Java 提供了物件的 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。
- 抽象原型類：規定了具體原型物件必須實現的介面。
- 具體原型類：實現抽象原型類的 clone() 方法，它是可被複制的物件。
- 訪問類：使用具體原型類中的 clone() 方法來複制新的物件。
其結構圖如圖 1 所示。
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和深克隆，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 介面就可實現物件的淺克隆，這裡的 Cloneable 介面就是抽象原型類。其程式碼如下：
//具體原型類 class Realizetype implements Cloneable { Realizetype() { System.out.println("具體原型建立成功！"); } public Object clone() throws CloneNotSupportedException { System.out.println("具體原型複製成功！"); 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)); } }
程式的執行結果如下：
具體原型建立成功！
具體原型複製成功！
obj1==obj2?false
原型模式的應用例項
用原型模式模擬“孫悟空”複製自己例子。
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。這裡的孫悟空類 SunWukong 是具體原型類，而 Java 中的 Cloneable 介面是抽象原型類。
同前面介紹的豬八戒例項一樣，由於要顯示孫悟空的影象（點選此處下載該程式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，裡面包含了標籤，用於儲存孫悟空的影象。
另外，重寫了 Cloneable 介面的 clone() 方法，用於複製新的孫悟空。訪問類可以通過呼叫孫悟空的 clone() 方法複製多個孫悟空，並在框架窗體 JFrame 中顯示。圖 2 所示是其結構圖。
圖2 孫悟空生成器的結構圖
程式程式碼如下：
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);
}
}
程式的執行結果如圖 3 所示。
圖3 孫悟空克隆器的執行結果
用原型模式除了可以生成相同的物件，還可以生成相似的物件，請看以下例項。
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，屬於相似物件的複製，同樣可以用原型模式建立，然後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。
圖4 獎狀生成器的結構圖
程式程式碼如下：
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("獎狀建立成功！");
}
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();
}
}
程式執行結果如下：
獎狀建立成功！
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
原型模式通常適用於以下場景。
- 物件之間相同或相似，即只是個別的幾個屬性不同的時候。
- 物件的建立過程比較麻煩，但複製比較簡單的時候。
原型模式的擴充套件
原型模式可擴充套件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 儲存多個複製的原型，Client 類可以通過管理器的 get(String id) 方法從中獲取複製的原型。其結構圖如圖 5 所示。
圖5 帶原型管理器的原型模式的結構圖
原型管理器生成圖形例子
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，並計算其面積。分析：本例項中由於存在不同的圖形類，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6 圖形生成器的結構圖
程式程式碼如下：
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();
}
}
執行結果如下所示：
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