本文节选自《设计模式就该这样学》
1 分析 JDK 浅克隆 API 带来的问题
在 Java 提供的 API 中，不需要手动创建抽象原型接口，因为 Java 已经内置了 Cloneable 抽象原型接口，自定义的类型只需实现该接口并重写 Object.clone()方法即可完成本类的复制。通过查看 JDK 的源码可以发现，其实 Cloneable 是一个空接口。Java 之所以提供 Cloneable 接口，只是为了在运行时通知 Java 虚拟机可以安全地在该类上使用 clone()方法。而如果该类没有实现 Cloneable 接口，则调用 clone()方法会抛出 CloneNotSupportedException 异常。一般情况下，如果使用 clone()方法，则需满足以下条件。
（1）对任何对象 o，都有 o.clone() != o。换言之，克隆对象与原型对象不是同一个对象。
（2）对任何对象 o，都有 o.clone().getClass() == o.getClass()。换言之，复制对象与原对象的类型一样。
（3）如果对象 o 的 equals()方法定义恰当，则 o.clone().equals(o)应当成立。
我们在设计自定义类的 clone()方法时，应当遵守这 3 个条件。一般来说，这 3 个条件中的前 2 个是必需的，第 3 个是可选的。下面使用 Java 提供的 API 应用来实现原型模式，代码如下。
class Client { public static void main(String[] args) { //创建原型对象 ConcretePrototype type = new ConcretePrototype("original"); System.out.println(type); //复制原型对象 ConcretePrototype cloneType = type.clone(); cloneType.desc = "clone"; System.out.println(cloneType);
} static class ConcretePrototype implements Cloneable { private String desc;
public ConcretePrototype(String desc) { this.desc = desc; }
@Override protected ConcretePrototype clone() { ConcretePrototype cloneType = null; try { cloneType = (ConcretePrototype) super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { e.printStackTrace(); } return cloneType; }
@Override public String toString() { return "ConcretePrototype{" + "desc='" + desc + '\'' + '}'; } }}
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super.clone()方法直接从堆内存中以二进制流的方式进行复制，重新分配一个内存块，因此其效率很高。由于 super.clone()方法基于内存复制，因此不会调用对象的构造函数，也就是不需要经历初始化过程。在日常开发中，使用 super.clone()方法并不能满足所有需求。如果类中存在引用对象属性，则原型对象与克隆对象的该属性会指向同一对象的引用。
@Datapublic class ConcretePrototype implements Cloneable {
private int age; private String name; private List<String> hobbies;
@Override public ConcretePrototype clone() { try { return (ConcretePrototype)super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { e.printStackTrace(); return null; } }
@Override public String toString() { return "ConcretePrototype{" + "age=" + age + ", name='" + name + '\'' + ", hobbies=" + hobbies + '}'; }}
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修改客户端测试代码。
public static void main(String[] args) { //创建原型对象 ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype(); prototype.setAge(18); prototype.setName("Tom"); List<String> hobbies = new ArrayList<String>(); hobbies.add("书法"); hobbies.add("美术"); prototype.setHobbies(hobbies); System.out.println(prototype); //复制原型对象 ConcretePrototype cloneType = prototype.clone(); cloneType.getHobbies().add("技术控");
System.out.println("原型对象：" + prototype); System.out.println("克隆对象：" + cloneType);
}
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我们给复制的对象新增一个属性 hobbies（爱好）之后，发现原型对象也发生了变化，这显然不符合预期。因为我们希望复制出来的对象应该和原型对象是两个独立的对象，不再有联系。从测试结果来看，应该是 hobbies 共用了一个内存地址，意味着复制的不是值，而是引用的地址。这样的话，如果我们修改任意一个对象中的属性值，protoType 和 cloneType 的 hobbies 值都会改变。这就是我们常说的浅克隆。只是完整复制了值类型数据，没有赋值引用对象。换言之，所有的引用对象仍然指向原来的对象，显然不是我们想要的结果。那如何解决这个问题呢？Java 自带的 clone()方法进行的就是浅克隆。而如果我们想进行深克隆，可以直接在 super.clone()后，手动给复制对象的相关属性分配另一块内存，不过如果当原型对象维护很多引用属性的时候，手动分配会比较烦琐。因此，在 Java 中，如果想完成原型对象的深克隆，则通常使用序列化（Serializable）的方式。
2 使用序列化实现深克隆
在上节的基础上继续改造，增加一个 deepClone()方法。
/** * Created by Tom. */@Datapublic class ConcretePrototype implements Cloneable,Serializable {
private int age; private String name; private List<String> hobbies;
@Override public ConcretePrototype clone() { try { return (ConcretePrototype)super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { e.printStackTrace(); return null; } }
public ConcretePrototype deepClone(){ try { ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream(); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos); oos.writeObject(this);
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
return (ConcretePrototype)ois.readObject(); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); return null; }
}
@Override public String toString() { return "ConcretePrototype{" + "age=" + age + ", name='" + name + '\'' + ", hobbies=" + hobbies + '}'; }}
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客户端调用代码如下。
public static void main(String[] args) { //创建原型对象 ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype(); prototype.setAge(18); prototype.setName("Tom"); List<String> hobbies = new ArrayList<String>(); hobbies.add("书法"); hobbies.add("美术"); prototype.setHobbies(hobbies);
//复制原型对象 ConcretePrototype cloneType = prototype.deepCloneHobbies(); cloneType.getHobbies().add("技术控");
System.out.println("原型对象：" + prototype); System.out.println("克隆对象：" + cloneType); System.out.println(prototype == cloneType);
System.out.println("原型对象的爱好：" + prototype.getHobbies()); System.out.println("克隆对象的爱好：" + cloneType.getHobbies()); System.out.println(prototype.getHobbies() == cloneType.getHobbies());
}
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运行程序，得到如下图所示的结果，与期望的结果一致。
从运行结果来看，我们的确完成了深克隆。
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