Android设计模式之——原型模式

一、介绍

原型模式是一个创建型的模式。原型二字表明了该模型应该有一个样板实例，用户从这个样板对象中复制出一个内部属性一致的对象，这个过程也就是我们俗称的“克隆”。被复制的实例就是我们所称的“原型”，这个原型也是可定制的。原型模型多用于创建复杂的或者构造耗时的实例，因为这种情况下，复制一个已经存在的实例可使程序运行更高效。

二、定义

用原型实例指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象。

三、使用场景

• （1）类初始化需要消耗非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等，通过原型拷贝避免这些消耗。

• （2）通过new产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，这时可以使用原型模式。

• （3）一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用，即保护性拷贝。

需要注意的是，通过实行Cloneable接口的原型模式在调用clone函数构造实例时并不一定比通过new操作速度快，只有当通过new构造对象较为耗时或者说成本较高时，通过clone方法才能够获得效率上的提升。因此，在使用Cloneable时需要考虑构建对象的成本以及做一些效率上的测试。当然，实现原型模式也不一定非要实现Cloneable接口，也有其他的实现方式，这里将会对这些一一说明。

四、原型模型的UML类图

图中角色介绍：

• Client：客户端用户。

• Prototype：抽象类或者接口，声明具备clone能力。

• ConcretePrototype：具体的原型类。

五、原型模式的简单实现

下面以简单的文档拷贝为例来演示一下简单的原型模式，我们在这个例子中首先创建了一个文档对象，即WordDocument，这个文档中含有文字和图片。用户经过了长时间的内容编辑后，打算对该文档做进一步的编辑，但是，这个编辑后的文档是否会被采用还不确定，因此，为了安全起见，用户需要将当前文档拷贝一份，然后再在文档副本上进行修改，这与《Effective Java》一书中提到的保护性拷贝有些类似，如此，这个原始文档就是我们上述所说的样板实例，也就是将要被“克隆”的对象，我们成为原型：

示例代码：

/** * 文档类型，扮演的是ConcretePrototype角色，而cloneable是代表prototype角色 */public class WordDocument implements Cloneable {    //文本    private String mText;    //图片名列表    private ArrayList<String> mImages = new ArrayList<String>();    public WordDocument(){        System.out.println("-------- WordDocument构造函数 --------");    }    public String getText(){        return this.mText;    }    public void setText(String text){        this.mText = text;    }    public ArrayList<String> getImages(){        return this.mImages;    }    public void setImages(ArrayList<String> images){        this.mImages = images;    }    public void addImage(String img){        this.mImages.add(img);    }    /**     * 打印文档     */    public void showDocument(){        System.out.println("-------- Word Content Start --------");        System.out.println("Text : " + this.mText);        System.out.println("Images List : ");        for(String image : mImages){            System.out.println("image name : " + image);        }        System.out.println("-------- Word Content End --------");    }    @Override    protected WordDocument clone(){        try{            WordDocument doc = (WordDocument)super.clone();            doc.mText = this.mText;            doc.mImages = this.mImages;            return doc;        }catch(Exception e){}        return null;    }}

执行方法：

    public static void main(String[] args) throws IOException {        //1.构建文档对象        WordDocument originDoc = new WordDocument();        //2.编辑文档，添加图片等        originDoc.setText("这是一篇文档");        originDoc.addImage("图片一");        originDoc.addImage("图片二");        originDoc.addImage("图片三");        originDoc.showDocument();        //以原始文档为原型，拷贝一份副本        WordDocument doc2 = originDoc.clone();        doc2.showDocument();        //修改文档副本        doc2.setText("这是修改过的Doc2文本");        doc2.addImage("这是新添加的图片");        originDoc.showDocument();        doc2.showDocument();    }

执行结果：

-------- WordDocument构造函数 --------//originDoc-------- Word Content Start --------Text : 这是一篇文档Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三-------- Word Content End --------//doc2-------- Word Content Start --------Text : 这是一篇文档Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三-------- Word Content End --------//副本修改后originDoc-------- Word Content Start --------Text : 这是一篇文档Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三image name : 这是新添加的图片-------- Word Content End --------//副本修改后doc2-------- Word Content Start --------Text : 这是修改过的Doc2文本Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三image name : 这是新添加的图片-------- Word Content End --------

这里我们发现通过修改doc2后，只是影响了originDoc的mImages，而没有改变mText。

六、浅拷贝和深拷贝

上述原型模式的实现实际上只是一个浅拷贝，也称影子拷贝，这份拷贝实际上并不是将原始的文档的所有字段都重新构造了一份，而是副本文档的字段引用原始文档的字段，如下图：

细心的读者可能从上面的结果中发现，最后两个文档信息输出是一致的。我们在doc2添加了一张图片，但是，同时也显示在originDoc中，这是怎么回事呢？学习过C++的读者都会有比较深刻的体会，这是因为上文中WordDocument的clone方法中只是简单的进行了浅拷贝，引用类型的新对象doc2.mImages只是单纯的指向了this.mImages引用，并没有重新构造一个mImages对象，然后将原始文档中的图片添加到新的mImages对象中，这样就导致doc2.mImages与原始文档中的是同一个对象，因此，修改了其中一个文档中的图片，另一个文档也会受影响。那么如何解决这个问题呢？答案就是采用深拷贝，即在拷贝对象时，对于引用型的字段也要采用拷贝的形式，而不是单纯引用的形式。

clone方法修改如下(其他不变)：

    @Override    protected WordDocument clone(){        try{            WordDocument doc = (WordDocument)super.clone();            doc.mText = this.mText;            //对mImages对象也调用clone()函数，进行深拷贝            doc.mImages = (ArrayList<String>)this.mImages.clone();            return doc;        }catch(Exception e){}        return null;    }

修改后在执行上述代码的结果是：

-------- WordDocument构造函数 --------//originDoc-------- Word Content Start --------Text : 这是一篇文档Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三-------- Word Content End --------//doc2-------- Word Content Start --------Text : 这是一篇文档Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三-------- Word Content End --------//副本修改后originDoc-------- Word Content Start --------Text : 这是一篇文档Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三-------- Word Content End --------//副本修改后doc2-------- Word Content Start --------Text : 这是修改过的Doc2文本Images List : image name : 图片一image name : 图片二image name : 图片三image name : 这是新添加的图片-------- Word Content End --------

可以看出现在互不影响，这个叫做深拷贝。

接着上面的疑问，其实String类型在浅拷贝时和引用类型一样，没有单独复制，而是引用同一地址，因为String没有实现cloneable接口，也就是说只能复制引用。（这里我们可以查看源码可以看到，而ArrayList实现了cloneable接口）但是当修改其中的一个值的时候，会新分配一块内存用来保存新的值，这个引用指向新的内存空间，原来的String因为还存在指向他的引用，所以不会被回收，这样，虽然是复制的引用，但是修改值的时候，并没有改变被复制对象的值。

所以在很多情况下，我们可以把String在clone的时候和基本类型做相同的处理，只是在equals时注意一些就行了。

原型模式是非常简单的一个模式，它的核心问题就是对原始对象进行拷贝，在这个模式的使用过程中需要注意的一点就是：深、浅拷贝的问题。在开发过程中，为了减少错误，作者建议使用该模式时尽量使用深拷贝，避免操作副本时影响原始对象的问题。

七、Android源码中的原型模式

示例代码：

    Uri uri = Uri.parse("smsto:110");    Intent intent = new Intent(Intent.ACTION_SEND,uri);    intent.putExtra("sms_body", "The SMS text");    //克隆    Intent intent2 = (Intent)intent.clone();    startActivity(intent2);

八、总结

原型模式本质上就是对象的拷贝，与C++中的拷贝构造函数有些类似，它们之间容易出现的问题也都是深拷贝、浅拷贝。使用原型模式可以解决构建复杂对象的资源消耗问题，能够在某些场景下提升创建对象的效率。

优点：

• （1）原型模式是在内存中二进制流的拷贝，要比直接new一个对象性能好很多，特别是要在一个循环体内产生大量对象时，原型模式可能更好的体现其优点。

• （2）还有一个重要的用途就是保护性拷贝，也就是对某个对象对外可能是只读的，为了防止外部对这个只读对象的修改，通常可以通过返回一个对象拷贝的形式实现只读的限制。

缺点：

• （1）这既是它的优点也是缺点，直接在内存中拷贝，构造函数是不会执行的，在实际开发中应该注意这个潜在问题。优点是减少了约束，缺点也是减少了约束，需要大家在实际应用时考虑。

• （2）通过实现Cloneable接口的原型模式在调用clone函数构造实例时并不一定比通过new操作速度快，只有当通过new构造对象较为耗时或者说成本较高时，通过clone方法才能够获得效率上的提升。