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1. 理论部分

原型模式（Prototype Pattern）：使用原型实例指定待创建对象的类型，并且通过复制这个原型来创建新的对象。

1.1 结构与实现

原型模式包含以下 3 个角色：

• Prototype（抽象原型类）：
  • 职责：声明一个克隆自身的接口。
  • 实现：Prototype 通常声明为接口。
• ConcretePrototype（具体原型类）：
  • 职责：ConcretePrototype 实现了 Prototype 中的接口。
  • 实现：ConcretePrototype 通常声明为类。
• Client（客户类）：
  • 职责：让一个原型克隆自身从而创建一个新的对象。
  • 实现：Client 通常声明为类。

根据在复制原型对象的同时是否复制包含在原型对象中引用类型的成员变量，原型模式的克隆机制分为两种：

• 浅克隆（Shallow Clone）：显式复制、语言提供的浅克隆机制
• 深克隆（Deep Clone）：显式复制、序列化机制（包括二进制序列化，JSON序列化等）

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当原型对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员变量并没有复制，如下图所示：

在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将被复制，如图所示：

原型模型的 UML 类图如下所示：
## 1.2 扩展：使用原型管理器
当一个系统中原型数目不固定时，即原型可以动态创建和销毁，要提供一个可用原型的注册表，即原型管理器。原型管理器将多个原型对象存储在一个集合中供客户端使用，它是一个专门负责克隆对象的工厂，其中定义了一个集合用于存储原型对象，如果需要某个原型对象的一个克隆，可以通过复制集合中对应的原型对象来获得。

带有原型管理器的原型模式的 UML 类图如下所示：

1.3 扩展：初始化克隆对象

由于不同客户对原型对象的要求不同，有时候需要初始化操作。初始化操作分为两种：

• 由客户提供：例如，客户提供初始化方法以便原型管理器使用。
• 由原型对象提供：例如，客户调用原型对象声明的初始化方法。

1.4 优缺点和适用场景

原型模式具有以下优点：

• 允许运行时增加和删除产品。原型模式允许只通过客户注册原型实例就将一个新的具体产品类并入系统。它比其他创建型模式更为灵活，因为客户可以在运行时建立和删除原型。
• 当创建新的对象实例较为复杂时，使用原型模式可以简化对象的创建过程，通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
• 可以减少子类的数量。原型模式提供了简化的创建结构，工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构，而原型模式就不需要这样，原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的，无须专门的工厂类来创建产品。

原型模式存在以下缺点：

• 需要为每一个类配备一个克隆方法，而且该克隆方法位于一个类的内部，当对已有的类进行改造时需要修改源代码，违背了开闭原则。
• 当内部包括一些不支持拷贝或有循环引用的对象时，实现克隆可能也会很困难。

原型模式适用于以下场景：

• 当一个系统应该独立于它的产品创建、构成和表示时。
• 当要实例化的类是在运行时指定时。
• 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象，并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态，通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。
• 创建新对象成本较大（例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），新对象可以通过复制已有对象来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。

2. 实现部分

以 Java 代码为例，演示原型模式及其扩展的实现。
案例介绍：

2.1 原型模式的实现

演示以下 2 种原型模式的实现：

• 浅克隆实现
• 深克隆实现

2.1.1 浅克隆

在 Java 中浅克隆实现可以采用两种方式， Object.clone 方法或者手动赋值拷贝。这里使用手动拷贝的方式。
定义抽象原型类

public interface Prototype<T> {
    T clone();
}

定义具体原型类——周报类

import java.util.Optional;

public class WeekLog implements Prototype<WeekLog> {
    private Attachment attachment;
    private String name;
    private String date;
    private String content;

    @Override
    public String toString() {
        return "WeekLog{" +
                "attachment=" + attachment +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", date='" + date + '\'' +
                ", content='" + content + '\'' +
                '}';
    }

    public Attachment getAttachment() {
        return attachment;
    }

    public void setAttachment(Attachment attachment) {
        this.attachment = attachment;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getDate() {
        return date;
    }

    public void setDate(String date) {
        this.date = date;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

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

    @Override
    public WeekLog clone() {
        WeekLog cloneWeekLog = new WeekLog();
        cloneWeekLog.setContent(this.content);
        cloneWeekLog.setDate(this.date);
        cloneWeekLog.setName(this.name);
        cloneWeekLog.setAttachment(this.attachment);
        return cloneWeekLog;
    }
}

客户端调用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型
        WeekLog prototype = new WeekLog();
        prototype.setName("xxx周报");
        Attachment attachment = new Attachment();
        attachment.setName("xxx附件");
        prototype.setAttachment(attachment);

        // 获取原型的副本并据此创建周报
        WeekLog weekLog = prototype.clone();
        weekLog.setDate("2025-07-23");
        weekLog.setContent("周报内容");
        System.out.println(weekLog);

        // 对比附件
        System.out.println("附件是否相同? " + (weekLog.getAttachment() == prototype.getAttachment()));
    }
}

2.1.2 深克隆

在 Java 中，想要实现深克隆有以下两种方式：

• 手动赋值拷贝
• 使用序列化技术
  • Java 序列化，要求拷贝的类需要实现序列化接口 Serializable
  • JSON 序列化，无要求

这里采用手动拷贝的方式
更改 WeekLog 的 clone 方法

public WeekLog clone() {
        WeekLog cloneWeekLog = new WeekLog();
        cloneWeekLog.setContent(this.content);
        cloneWeekLog.setDate(this.date);
        cloneWeekLog.setName(this.name);
        Attachment cloneAttachment = new Attachment();
        Optional.ofNullable(this.attachment).map(Attachment::getName).ifPresent(cloneAttachment::setName);
        cloneWeekLog.setAttachment(cloneAttachment);
        return cloneWeekLog;

    }

客户端调用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型
        WeekLog prototype = new WeekLog();
        prototype.setName("xxx周报");
        Attachment attachment = new Attachment();
        attachment.setName("xxx附件");
        prototype.setAttachment(attachment);

        // 获取原型的副本并据此创建周报
        WeekLog weekLog = prototype.clone();
        weekLog.setDate("2025-07-23");
        weekLog.setContent("周报内容");
        System.out.println(weekLog);

        // 对比附件
        System.out.println("附件是否相同? " + (weekLog.getAttachment() == prototype.getAttachment()));
    }
}

2.1.3 完整的 UML 类图

2.2 带原型管理器的实现

原型管理器的代码如下：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;

public class PrototypeManager {
    private final ConcurrentMap<String, Prototype<?>> prototypeTable = new ConcurrentHashMap<>();

    public <T extends Prototype<T>> void put(String key, T prototype) {
        prototypeTable.put(key, prototype);
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public <T extends Prototype<T>> T get(String key) {
        return (T) prototypeTable.get(key).clone();
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public <T extends Prototype<T>> T remove(String key) {
        return (T) prototypeTable.remove(key);
    }
}

客户端调用修改，向原型管理器中注册原型，从原型管理器中获取原型。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建原型并放入原型管理器中
        PrototypeManager prototypeManager = new PrototypeManager();
        WeekLog prototype = new WeekLog();
        prototype.setName("xxx周报");
        Attachment attachment = new Attachment();
        attachment.setName("xxx附件");
        prototype.setAttachment(attachment);
        prototypeManager.put("weekLog_xxx", prototype);

        // 从原型管理器中取出原型的克隆副本并据此创建周报
        WeekLog weekLog = prototypeManager.get("weekLog_xxx");
        weekLog.setDate("2025-07-23");
        weekLog.setContent("周报内容");
        System.out.println(weekLog);

        // 对比附件
        System.out.println("附件是否相同? " + (weekLog.getAttachment() == prototype.getAttachment()));
    }
}

3. 参考资料

学习视频：

1. 设计模式快速入门 —— 图灵星球TuringPlanet —— 原型模式
2. Java设计模式详解 —— 黑马程序员 —— 抽象工厂模式（P46 ~ P49）
3. Java设计模式 —— 尚硅谷 —— 抽象工厂模式（P49 ~ P54）

学习读物：

1. 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》—— Erich Gamma 著 —— 李英军 译 —— 第 3.4 节（P89）
2. 《Java 设计模式》 —— 刘伟 著 —— 第 7 章（P90）
3. 《设计模式之美》—— 王争 著 —— 第 6.6 节（P200）
4. 《设计模式之禅》 —— 第 2 版 —— 秦小波 著 —— 第 13 章（P135）
5. 《图解设计模式》—— 结城浩 著 —— 杨文轩 译 —— 第 6 章（P49）

电子文献：

1. 设计模式教程 —— 菜鸟教程 —— 原型模式
2. 99+ 种软件模式 —— long2ge —— 原型模式
3. 面向对象设计模式–原型模式详解+实际应用（Java）—— 飞天葫芦侠