Scala 与设计模式（三）：Prototype 原型模式

第一个生物是怎么诞生的？从科学角度推测：是由第一个细胞从核糖核酸(RNA)不断的新陈代谢演变而来的。

第一个细胞其实是非常孤独的，但幸好它掌握了「分裂」与「分化」的本领，一定条件下可以一分为二，由此才能快速演变，出现现在的人类。

在开发过程中，我们也常有类似的场景，本文将以细胞分裂为例来介绍原型模式。

定义

「四人帮」设计模式中提及的原型模式定义如下：

用原型实例指向创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

从定义中我们可以知道，原型模式中核心点就是 原型类 和拷贝。

看到拷贝，有些同学脑中可能会浮现下面这张图：

可事实并没有这么简单。

Java 实现

回到开头的例子，假设细胞没有分裂能力，每个细胞产生的过程和时间是一样的，这无疑是费时的。

这也是「原型模式」第一个要解决的问题 — 通过拷贝加速效率。

在 Java 中所有的 class 都继承自 java.lang.Object 类，Object 提供了一个 clone() 方法，通过它，就能实现对象的拷贝。

浅拷贝

我们利用 Cloneable 接口，来实现细胞的克隆：

public class Cell implements Cloneable {
    private String dna;
    private Organelle organelle; // 细胞器

    ... // 省略 get set 与 构造函数

    @Override
    public String toString() {
        return "Cell: {" +
                "DNA = " + dna + '\'' +
                "Organelle = " + organelle.toString() +
                '}';
    }

    @Override
    public Cell clone() {
        Cell cellCopy = null;
        try {
            cellCopy = (Cell) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return cellCopy;
    }
}

public class Organelle {
    private String cytoplasm; // 细胞质
    private String nucleus; // 细胞核

    ...// 省略get、set、toString() 与构造函数
}

以上我们便能调用 clone() 方法对复杂对象进行拷贝，以此来实现分裂的功能。

测试：

Cell cellA, cellB;

cellA = new Cell("AAAGTCTGAC", new Organelle("细胞质", "细胞核"));
System.out.println(cellA);

cellB = cellA.clone();
System.out.println(cellB);

System.out.println("cellA == cellB ? " + (cellA == cellB));
System.out.println("cellA-class == cellB-class? :" + (cellA.getClass() == cellB.getClass()));

看起来不错！但问题出现了：这里的 clone 只能拷贝到细胞本身信息，但不拷贝细胞的引用，不同细胞中包含的细胞器是一样的。

这其实是「浅拷贝」和「深拷贝」的问题。看看它们的区别：

浅拷贝
仅仅复制原有对象的值，而不复制它对其他对象的引用。
深拷贝
原有对象的值和引用都被复制。

验证：

1	System.out.println("cellA.Organelle == cellB.Organelle ? " + (cellA.getOrganelle() == cellB.getOrganelle()));

输出：

1	cellA.Organelle == cellB.Organelle ? true

可见，当前 clone() 方法执行的是浅拷贝，Java 中所有的对象都保存在全局共享的堆中。

只要能拿到某个对象的引用，引用者就可以随意修改对象，这显然是不好的。

接下来我为大家介绍一下深拷贝如何实现。

深拷贝

说到深拷贝，一般有两种实现方案：

1. 改变 clone 方法

既然问题出在细胞器（Organelle）的引用没有被复制，为其手动添加上即可。

首先修改引用类，使其支持 clone：

public class Organelle implements Cloneable { 
  ... // 省略相同代码

  @Override
   protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
       Object object = null;
       try {
           object = super.clone();
       } catch (CloneNotSupportedException e) {
           e.printStackTrace();
       }
       return object;
   }

其次在 Cell 类的 clone() 方法中复制细胞器的引用：

@Override
public Cell clone() throws CloneNotSupportedException {
    Cell cellCopy = null;

    try {
        cellCopy = (Cell) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    if (cellCopy != null) {
        cellCopy.organelle = (Organelle) organelle.clone();
    }
    return cellCopy;
}

测试结果：

1	cellA.organelle == cellB.organelle ? false

虽然功能是实现了，但是每个引用对象都要重写 clone()，太糟糕了！

2. 序列化对象

序列化是一个将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。

与 Cloneable 实现类似，需要序列化的类要求实现序列化接口。

public class Organelle implements Serializable { ... }
public class Cell implements Serializable {
  ... // 省略部分代码

  // 序列化实现深拷贝
  public Cell deepClone() throws CloneNotSupportedException, IOException, ClassNotFoundException {
    // 序列化（将对象写入流中）
    ByteArrayOutputStream bos=new  ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream oos=new  ObjectOutputStream(bos);
    oos.writeObject(this);

    // 反序列化（将对象从流中取出）
    ByteArrayInputStream bis=new  ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
    ObjectInputStream ois=new  ObjectInputStream(bis);
    return  (Cell)ois.readObject();
  }

}

注意：Cloneable 与 Serializable 接口都是「marker Interface」，即它们只是标识接口，没有定义任何方法。

对比而言，序列化的实现方式不需要重写多个类的 clone() 方法，比第一种更加简便。

接下去看看 Scala 中如何实现原型模式。

Scala 实现

在 Scala 中，你用类似 Java 的方式来实现(Scala 提供了调用 Java 中 Cloneable 和 Serializable 的特质)

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trait Cloneable extends java.lang.Cloneable

trait Serializable extends Any with java.io.Serializable

当然，Scala 中每个 case class 都拥有一个 copy() 方法，它会返回拷贝自原有实例的新实例，并且可以在拷贝的过程中改变一些值。

同样以细胞为例：

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case class Cell(dna: String, organelle: Organelle)

case class Organelle(cytoplasm: String, nucleus: String)

测试一下：

val initialCell = Cell("AAAGTCTGAC", Organelle("细胞质", "细胞核"))
val cell1 = initialCell.copy()
val cell2 = initialCell.copy()
val cell3 = initialCell.copy(dna = "1234") // 可以在拷贝的时候重新赋值
System.out.println(s"cell1: ${cell1}")
System.out.println(s"cell2: ${cell2}")
System.out.println(s"cell3: ${cell3}")
System.out.println(s"cell1 and cell2 are equal: ${cell1 == cell2}")

// 输出
Cell 1: Cell(AAAGTCTGAC,Organelle(细胞质,细胞核))
Cell 2: Cell(AAAGTCTGAC,Organelle(细胞质,细胞核))
Cell 3: Cell(1234,Organelle(细胞质,细胞核))
cell1 and cell2 are equal: true

对比 Scala 和 Java 的实现代码，有没有发现 Scala 是如此的简洁。

诶？为什么 cell1 和 cell1 相等？这会不会导致上面浅拷贝的问题呢？不存在的。

由于 case class 参数默认为 val，两个 case class 对象持有相同引用，但也不允许修改。

总结

通过以上内容，我们对原型模式已有一些了解，一般来说原型模式中参与者有以下三类：

抽象原型类：声明克隆方法的接口，是所有具体原型类的公共父类，可以是抽象类、接口、甚至具体实现类（对应上面的 Cloneable 和 Serializable 接口）。
具体原型类：实现抽象原型类声明的克隆方法，返回自己的一个克隆对象(Cell.class | Cell.class)。
客户类：创建对象并克隆（Test.class）。

以下为 Java 与 Scala 中的实现方式对比：

拷贝方式	Java	Scala
浅拷贝	具体原型类实现 `Cloneable`	具体原型类实现 `Cloneable` 或具体原型类为 `case class`
深拷贝	具体原型类 + 引用类实现 `Cloneable` 或 `Serializable`	具体原型类 + 引用类实现 `Cloneable` 或 `Serializable`

当然原型模式通常还可以解决以下问题：

创建新对象成本较大（如初始化需要占用较长的时间，占用太多的 CPU 资源或网络资源），新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
如果系统要保存对象的状态，而对象的状态变化很小，或者对象本身占用内存较少时，可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。

源码链接

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