《原型模式》｜设计模式系列第06篇

系列：创建型模式 · 原型模式（Prototype Pattern）
关键词：对象克隆、浅拷贝、深拷贝、原型实例、减少new开销

一、什么是原型模式

原型模式（Prototype Pattern）：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。

属于创建型设计模式。

简单理解：
不再通过 new 新建对象，而是拿一个现成对象当模板，直接复制克隆一份。适合对象创建成本高的场景，规避构造函数执行开销。

核心意图
降低对象创建成本；复用已有对象的数据，快速生成新实例。

适用场景

对象创建开销大（初始化耗时、读取数据库/文件、网络加载）
需要大量相似对象，对象之间仅有少量字段差异
不想暴露复杂对象创建逻辑给客户端
动态获取对象类型，运行时复制实例

⚠️ 缺点预警：需要合理处理浅拷贝与深拷贝；对象包含循环引用时克隆逻辑复杂。

二、UML结构图

角色划分：

Prototype（抽象原型）：声明克隆方法，一般提供 clone()
ConcretePrototype（具体原型）：实现克隆方法，复制自身生成新对象
Client（客户端）：获取原型对象，调用克隆方法生成新实例

三、Java 完整示例

Java 原生提供 Cloneable 标记接口，重写 clone() 方法实现原型。

注意：Object.clone() 默认是浅拷贝。

1. 具体原型类（浅拷贝示例）

public class User implements Cloneable {
    private String username;
    private int age;
    private Address address;

    public User(String username, int age, Address address) {
        this.username = username;
        this.age = age;
        this.address = address;
    }

    @Override
    protected User clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (User) super.clone();
    }

    // getter & setter
    public String getUsername() {
        return username;
    }

    public void setUsername(String username) {
        this.username = username;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public Address getAddress() {
        return address;
    }

    public void setAddress(Address address) {
        this.address = address;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "username='" + username + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", address=" + address +
                '}';
    }
}

// 引用类型成员
class Address {
    private String city;

    public Address(String city) {
        this.city = city;
    }

    public String getCity() {
        return city;
    }

    public void setCity(String city) {
        this.city = city;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Address{" +
                "city='" + city + '\'' +
                '}';
    }
}

2. 客户端调用

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Address address = new Address("杭州");
        User prototype = new User("张三", 20, address);

        // 克隆原型对象
        User cloneUser = prototype.clone();
        System.out.println("原型对象：" + prototype);
        System.out.println("克隆对象：" + cloneUser);

        // 浅拷贝：引用对象地址是同一个
        cloneUser.getAddress().setCity("上海");
        System.out.println("修改克隆对象地址后，原型对象：" + prototype);
    }
}

运行结果可以看到：修改克隆对象里的引用类型 Address，原型对象的地址也跟着变化，这就是浅拷贝。

3. 改造为深拷贝

修改 User 的 clone 方法，把引用对象也单独克隆一份：

@Override
protected User clone() throws CloneNotSupportedException {
    User user = (User) super.clone();
    // 引用类型单独拷贝
    user.address = new Address(address.getCity());
    return user;
}

此时修改克隆对象的 Address，不会影响原型对象。

四、浅拷贝 vs 深拷贝

浅拷贝：复制基本数据类型；引用类型只复制对象引用地址，共用同一个引用对象。
深拷贝：基本类型、引用类型全部新建独立对象，新旧对象完全隔离，互不干扰。

实现深拷贝可选方案：

手动在 clone 方法中递归拷贝引用对象

对象序列化/反序列化（Jackson，Java原生序列化）

五、优缺点总结

✅ 优点

克隆比 new 性能更高，适合创建开销大的对象
简化对象创建流程，客户端直接复制原型
动态新增/修改原型，灵活生成相似对象

❌ 缺点

需要编写克隆逻辑，尤其深拷贝实现繁琐
存在循环引用时，克隆逻辑很难处理
每一个原型类都需要支持克隆，需要改造原有代码

六、原型模式与其他创建型模式对比

模式	创建方式	核心特点
工厂/建造者	new 创建对象	侧重于对象组装与实例化
原型模式	克隆复制对象	基于已有实例复制，规避昂贵构造

七、框架源码应用

JDK java.util.ArrayList.clone()
Spring 中原型 Bean（scope=”prototype”），每次获取返回全新实例，思想源自原型模式
Apache Commons 工具类提供原型克隆工具

八、小结

原型模式核心：以现有对象作为模板进行克隆复制。
重点区分浅拷贝与深拷贝；对象内部存在引用类型时，一定要评估拷贝方式带来的副作用。
适合对象初始化成本高，大量相似实例场景。