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原型模式 (Prototype Pattern)

什么是原型模式?

原型模式是一种创建型设计模式,它允许我们通过复制现有对象来创建新对象,而不是通过类来实例化。简单来说,就是"克隆"一个已经存在的对象来创建新对象。

为什么使用原型模式?

想象一下这样的场景:

  • 你有一个复杂的对象,创建它需要很多步骤和资源
  • 你需要创建多个相同或相似的对象
  • 你不想重复执行复杂的创建过程

原型模式就像"复制粘贴"一样,让你可以快速得到对象的副本。

核心概念

  1. 原型接口/抽象类:定义克隆方法的接口
  2. 具体原型类:实现克隆方法的具体类
  3. 客户端:使用原型来创建新对象

示例一:文档模板系统

假设你有一个文档管理系统,需要创建不同类型的文档模板。

1. 原型接口

public interface Document extends Cloneable {
    Document clone();
    void setContent(String content);
    void display();
}

2. 具体原型类

public class WordDocument implements Document {
    private String title;
    private String content;
    private String author;
    private Date createTime;

    public WordDocument(String title, String author) {
        this.title = title;
        this.author = author;
        this.createTime = new Date();
        this.content = "";
    }

    @Override
    public Document clone() {
        try {
            WordDocument clone = (WordDocument) super.clone();
            // 深拷贝:创建新的Date对象
            clone.createTime = new Date();
            return clone;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    @Override
    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("=== Word文档 ===");
        System.out.println("标题: " + title);
        System.out.println("作者: " + author);
        System.out.println("创建时间: " + createTime);
        System.out.println("内容: " + content);
        System.out.println("================\n");
    }

    // getter和setter方法
    public String getTitle() { return title; }
    public void setTitle(String title) { this.title = title; }
    public String getAuthor() { return author; }
    public void setAuthor(String author) { this.author = author; }
}

3. 客户端使用

public class DocumentManager {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个原始文档模板
        WordDocument originalDoc = new WordDocument("项目报告模板", "张三");
        originalDoc.setContent("这是一个项目报告的模板内容...");

        System.out.println("原始文档:");
        originalDoc.display();

        // 通过克隆创建新文档
        WordDocument newDoc1 = (WordDocument) originalDoc.clone();
        newDoc1.setTitle("项目A报告");
        newDoc1.setContent("项目A的具体内容...");

        WordDocument newDoc2 = (WordDocument) originalDoc.clone();
        newDoc2.setTitle("项目B报告");
        newDoc2.setContent("项目B的具体内容...");

        System.out.println("克隆的文档1:");
        newDoc1.display();

        System.out.println("克隆的文档2:");
        newDoc2.display();
    }
}

示例二:游戏角色系统

在游戏中,我们经常需要创建相同类型的角色,比如克隆士兵、怪物等。

1. 游戏角色原型

public abstract class GameCharacter implements Cloneable {
    protected String name;
    protected int level;
    protected int health;
    protected int attack;
    protected int defense;
    protected List<String> skills;

    public GameCharacter(String name, int level, int health, int attack, int defense) {
        this.name = name;
        this.level = level;
        this.health = health;
        this.attack = attack;
        this.defense = defense;
        this.skills = new ArrayList<>();
    }

    public abstract GameCharacter clone();
    public abstract void display();

    // 添加技能
    public void addSkill(String skill) {
        skills.add(skill);
    }

    // 升级
    public void levelUp() {
        level++;
        health += 10;
        attack += 5;
        defense += 3;
    }
}

2. 具体角色类

public class Warrior extends GameCharacter {
    private String weapon;

    public Warrior(String name, int level, int health, int attack, int defense, String weapon) {
        super(name, level, health, attack, defense);
        this.weapon = weapon;
        addSkill("基础剑术");
    }

    @Override
    public GameCharacter clone() {
        try {
            Warrior clone = (Warrior) super.clone();
            // 深拷贝技能列表
            clone.skills = new ArrayList<>(this.skills);
            return clone;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("=== 战士角色 ===");
        System.out.println("姓名: " + name);
        System.out.println("等级: " + level);
        System.out.println("生命值: " + health);
        System.out.println("攻击力: " + attack);
        System.out.println("防御力: " + defense);
        System.out.println("武器: " + weapon);
        System.out.println("技能: " + skills);
        System.out.println("================\n");
    }

    public void setWeapon(String weapon) {
        this.weapon = weapon;
    }
}

public class Mage extends GameCharacter {
    private String element;

    public Mage(String name, int level, int health, int attack, int defense, String element) {
        super(name, level, health, attack, defense);
        this.element = element;
        addSkill("基础魔法");
    }

    @Override
    public GameCharacter clone() {
        try {
            Mage clone = (Mage) super.clone();
            // 深拷贝技能列表
            clone.skills = new ArrayList<>(this.skills);
            return clone;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("=== 法师角色 ===");
        System.out.println("姓名: " + name);
        System.out.println("等级: " + level);
        System.out.println("生命值: " + health);
        System.out.println("攻击力: " + attack);
        System.out.println("防御力: " + defense);
        System.out.println("元素: " + element);
        System.out.println("技能: " + skills);
        System.out.println("================\n");
    }

    public void setElement(String element) {
        this.element = element;
    }
}

3. 角色管理器

public class CharacterManager {
    private Map<String, GameCharacter> characterPrototypes = new HashMap<>();

    // 注册原型
    public void registerPrototype(String key, GameCharacter character) {
        characterPrototypes.put(key, character);
    }

    // 通过原型创建新角色
    public GameCharacter createCharacter(String key, String name) {
        GameCharacter prototype = characterPrototypes.get(key);
        if (prototype != null) {
            GameCharacter clone = prototype.clone();
            // 设置新的名字
            try {
                Field nameField = GameCharacter.class.getDeclaredField("name");
                nameField.setAccessible(true);
                nameField.set(clone, name);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return clone;
        }
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CharacterManager manager = new CharacterManager();

        // 创建原型角色
        Warrior warriorPrototype = new Warrior("战士模板", 1, 100, 15, 10, "铁剑");
        warriorPrototype.addSkill("冲锋");
        warriorPrototype.addSkill("格挡");

        Mage magePrototype = new Mage("法师模板", 1, 80, 20, 5, "火");
        magePrototype.addSkill("火球术");
        magePrototype.addSkill("护盾术");

        // 注册原型
        manager.registerPrototype("warrior", warriorPrototype);
        manager.registerPrototype("mage", magePrototype);

        System.out.println("原始原型:");
        warriorPrototype.display();
        magePrototype.display();

        // 通过原型创建新角色
        Warrior warrior1 = (Warrior) manager.createCharacter("warrior", "亚瑟");
        Warrior warrior2 = (Warrior) manager.createCharacter("warrior", "兰斯洛特");
        Mage mage1 = (Mage) manager.createCharacter("mage", "梅林");

        // 为新角色设置不同的属性
        warrior1.setWeapon("圣剑");
        warrior1.levelUp();
        warrior2.setWeapon("长枪");
        mage1.setElement("冰");
        mage1.addSkill("冰锥术");

        System.out.println("克隆的角色:");
        warrior1.display();
        warrior2.display();
        mage1.display();
    }
}

示例三:配置对象克隆

在实际开发中,我们经常需要复制配置对象。

public class DatabaseConfig implements Cloneable {
    private String host;
    private int port;
    private String username;
    private String password;
    private String database;
    private Map<String, String> properties;

    public DatabaseConfig(String host, int port, String username, String password, String database) {
        this.host = host;
        this.port = port;
        this.username = username;
        this.password = password;
        this.database = database;
        this.properties = new HashMap<>();
    }

    @Override
    public DatabaseConfig clone() {
        try {
            DatabaseConfig clone = (DatabaseConfig) super.clone();
            // 深拷贝properties
            clone.properties = new HashMap<>(this.properties);
            return clone;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void addProperty(String key, String value) {
        properties.put(key, value);
    }

    public void display() {
        System.out.println("=== 数据库配置 ===");
        System.out.println("主机: " + host);
        System.out.println("端口: " + port);
        System.out.println("用户名: " + username);
        System.out.println("密码: " + password);
        System.out.println("数据库: " + database);
        System.out.println("属性: " + properties);
        System.out.println("==================\n");
    }

    // getter和setter方法
    public String getHost() { return host; }
    public void setHost(String host) { this.host = host; }
    public int getPort() { return port; }
    public void setPort(int port) { this.port = port; }
    public String getUsername() { return username; }
    public void setUsername(String username) { this.username = username; }
    public String getPassword() { return password; }
    public void setPassword(String password) { this.password = password; }
    public String getDatabase() { return database; }
    public void setDatabase(String database) { this.database = database; }
}

// 使用示例
public class ConfigManager {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建主数据库配置
        DatabaseConfig mainConfig = new DatabaseConfig("localhost", 3306, "root", "password", "main_db");
        mainConfig.addProperty("charset", "utf8");
        mainConfig.addProperty("timeout", "30");

        System.out.println("主数据库配置:");
        mainConfig.display();

        // 克隆配置用于测试环境
        DatabaseConfig testConfig = mainConfig.clone();
        testConfig.setHost("test-server");
        testConfig.setDatabase("test_db");
        testConfig.setPassword("test_password");
        testConfig.addProperty("debug", "true");

        // 克隆配置用于生产环境
        DatabaseConfig prodConfig = mainConfig.clone();
        prodConfig.setHost("prod-server");
        prodConfig.setDatabase("prod_db");
        prodConfig.setPassword("prod_password");
        prodConfig.addProperty("max_connections", "100");

        System.out.println("测试环境配置:");
        testConfig.display();

        System.out.println("生产环境配置:");
        prodConfig.display();
    }
}

原型模式的优缺点

优点:

  1. 性能提升:避免重复执行复杂的初始化过程
  2. 简化创建:客户端不需要知道具体的创建细节
  3. 动态性:可以在运行时动态添加或删除原型
  4. 减少子类:避免创建大量的工厂类

缺点:

  1. 深拷贝复杂性:对于复杂对象,深拷贝可能比较复杂
  2. 内存开销:如果原型对象很大,克隆会消耗更多内存
  3. 循环引用:需要注意处理对象间的循环引用问题

使用场景

  1. 对象创建成本高:当创建对象需要大量资源或复杂计算时
  2. 需要大量相似对象:如游戏中的 NPC、文档模板等
  3. 避免工厂类爆炸:当有大量相似的产品类时
  4. 配置对象复制:如数据库连接配置、系统配置等

总结

原型模式就像"复制粘贴"一样简单,但它能大大提高对象创建的效率。当你需要创建大量相似对象时,原型模式是一个很好的选择。记住要正确处理深拷贝,确保克隆的对象之间不会相互影响。

最近更新:: 2025/12/29 11:07
Contributors: Duke
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