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设计模式 - 原型模式

news 来源：原创 2025/6/20 13:09:17

原型模式（Prototype），在制造业种通常是指大批量生产开始之前研发出的概念模型，并基于各种参数指标对其进行检验，效果达到了质量要求，即可参照这个原型进行批量生产。即，原型模式可以用对象创建对象，而不是用类创建对象，以此达到效率的提升。

举个栗子，类似于打印机和复印机的区别：

第一份打印出来的原文稿，我们称之为“原型文件”
对于复印过程，我们称之为“原型拷贝”

原型模式对于 非常复杂初始化过程的对象，或者是 需要消耗大量资源 的情况下，原型模式是更好的选择。

一、以空战游戏为例

1. 敌机类 EnemyPlane 代码：

2. 怎样创建500台敌机

1) for循环批量生产敌机

2) 懒加载依然有性能问题

3) 细胞分裂

3. 复杂对象的克隆 - 深拷贝、浅拷贝

4. 克隆的本质

一、以空战游戏为例

假设我们设计一个空战游戏的程序，

为了简单，我们设定游戏为单打，也就是说主角飞机只有一驾，而敌机有很多驾，而且可以在屏幕上垂直向下移动来撞击注解飞机，具体是怎样实现的呢？其实比较简单，就是程序不停改变坐标并且在画面上重绘而已。由浅入深，我们 先试着写一个敌机类。

Tips：空战游戏中的主角如果是单个实例的话，其实就用到单例模式了。可以参考：设计模式 - 单例模式-CSDN博客，本文只关注可以有多个实例的敌机。

1. 敌机类 EnemyPlane 代码：

public class EnemyPlane {private int x; // 敌机横坐标private int y = 0; // 敌机纵坐标public EnemyPlane(int x) { // 构造器this.x = x;}public int getX() {return x;}public int getY() {return y;}public void fly() { // 让敌机飞y++; // 每调用一次，敌机飞行时纵坐标+1}
}

纵坐标固定为0，由于敌机一开始是从顶部飞出去的。

只有getter没有setter，也就是只能在初始化时确定好敌机的横坐标x，之后不允许改了

2. 怎样创建500台敌机

我们想让敌机向雨点一样不断下落，首先需要实例化500驾敌机。

1) for循环批量生产敌机

这样做法看似没有问题，实际上效率非常低。

游戏画面不可能同时出现500驾敌机，而且在游戏未开始的时候就加载了500驾，不仅使加载速度变慢、也是对有限内存资源的一种浪费。

public class Client {public static void main(String[] args) {List<EnemyPlane> enemyPlanes = new ArrayList<EnemyPlane>();for (int i = 0; i < 500; i++) {// 此处于随机纵坐标处出现敌机EnemyPlane ep = new EnemyPlane(new Random().nextInt(200));enemyPlanes.add(ep);}}
}

那么，到底什么时候才去构造敌机，-- 当然是懒加载了

按照地图坐标，屏幕滚动到某一点时才实时构造敌机，就解决问题了。

2) 懒加载依然有性能问题

主要原因在于，“new” 关键字进行的基于类的实例化过程，每驾敌机都进行全新构造的做法是不合适的，其代价是耗费更多的CPU资源。

尤其大型游戏中，很多个线程不停运转着，CPU资源本身就非常宝贵，此时如果进行大量的类构造与复杂的初始化工作，必然会造成游戏卡顿、甚至会造成系统无响应

3) 细胞分裂

硬件永远离不开优秀的软件，我们绝不允许以糟糕的软件设计对硬件发起挑战。

既然循环第一次之后已经实例化好了一个敌机原型，那么之后又何必去重复这个构造过程呢？敌机对象是否能像细胞分裂一样自我复制呢？要解决这个问题，原型模式是最好的解决方案了。

1）重构敌机类，支持原型拷贝

让敌机类EnemyPlane实现了java.lang包中的克隆接口Cloneable，并在实现方法中调用了父类Object的克隆方法，省去了由类而生的再造过程。

public class EnemyPlane implements Cloneable {private int x; // 敌机横坐标private int y = 0; // 敌机纵坐标public EnemyPlane(int x) { // 构造器this.x = x;}public int getX() {return x;}public int getY() {return y;}public void fly() { // 让敌机飞y++; // 每调用一次，敌机飞行时纵坐标+1}// 此处开放setX，是为了让克隆后的实例重新修改横坐标public void setX(int x) {this.x = x;}// 重写克隆方法@Overridepublic EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {return (EnemyPlane)super.clone();}
}

至此，克隆模式其实已经实现了，只需简单的调用克隆方法即可更高效地得到一个全新的实例副本。

为了更方便的生产飞机，我们决定定义一个敌机克隆工厂类

public class EnemyPlaneFactory {// 此处用单例模式创建一个敌机原型private static EnemyPlane protoType = new EnemyPlane(200);// 获取敌机克隆实例public static EnemyPlane getInstance(int x) {EnemyPlane clone = protoType.clone(); // 复制原型机clone.setX(x); // 重新设置克隆机的x坐标return clone;}
}

我们在敌机克隆工厂类EnemyPlaneFactory中第4行使用了一个静态的敌机对象作为原型，其中获取敌机实例的方法getInstance()，其简单的调用克隆方法得到了一个新的克隆对象（此处省略了一场捕获代码），并将其横坐标重设为传入的参数，最后返回此克隆对象，这样我们便可以轻松获取一驾敌机的克隆实例了

敌机克隆工厂类定义完毕，客户端代码就留给读者自己实践了。

但需要注意，一定要使用懒加载方式，如此既可以节省内存空间，又可以确保敌机的实例化速度，实现敌机的即时性按需克隆，这样游戏便再也不会出现卡顿现象了。

3. 复杂对象的克隆 - 深拷贝、浅拷贝

最后，在使用原型模式之前，必须搞清楚深拷贝与浅拷贝这两个概念，否则会对复杂对象的克隆感到无比困惑

假设，敌机类里有一颗子弹可以发射并击杀玩家的飞机，那么敌机中则包含一颗实例化好的子弹对象，请参考代码清单：

public class EnemyPlane implements Cloneable {private Bullet bullet = new Bullet();private int x; // 敌机横坐标private int y = 0; // 敌机纵坐标// 之后代码省略……
}

如上代码，此时如果进行克隆操作，能否将子弹对象一起成功克隆呢？

答案是否定的：

Java中的变量分为原始类型和引用类型，浅拷贝指只复制原始类型的值。而引用类型也会被拷贝，但是这个操作知识拷贝了引用类型的地址引用（指针），也就是说副本敌机与原型敌机中的子弹是同一颗，因为两个同样的地址实际指向的内存对象是同一个bullet对象。
需要注意的是，克隆方法中调用父类Objecrt的clone方法进行的是浅拷贝，所以此处的bullet并没有真正克隆。

public class EnemyPlane implements Cloneable {private Bullet bullet;private int x; // 敌机横坐标private int y = 0; // 敌机纵坐标public EnemyPlane(int x, Bullet bullet) {this.x = x;this.bullet = bullet;}@Overrideprotected EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {EnemyPlane clonePlane = (EnemyPlane) super.clone(); // 克隆出敌机clonePlane.setBullet(this.bullet.clone()); // 对子弹进行深拷贝return clonePlane;}// 之后代码省略……
}

如上代码显示，首先clone方法中依旧对敌机对象进行克隆操作，紧接着对敌机子弹bullet也进行了克隆，这个就是深拷贝操作。当然，此处要注意对于子弹类Bullet同样也得实现克隆接口，请读者自行实现，此处就不再赘述了。

简而言之：深拷贝会复制对象及其所有嵌套子对象，而浅拷贝只复制对象本身，嵌套子对象仍然引用原对象。