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【JAVA面试题】设计模式之原型模式

一、原型模式核心概念

原型模式（Prototype Pattern） 是一种创建型设计模式，通过复制现有对象（原型）来创建新对象，避免反复初始化带来的性能损耗。适用于需要高频创建相似对象的场景。

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二、原型模式实战案例：敌机生成优化

1. 原始方案性能缺陷

public class Client {public static void main(String[] args) {List<EnemyPlane> enemyPlanes = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 50; i++) {// 每次new对象导致性能损耗EnemyPlane ep = new EnemyPlane(new Random().nextInt(200));enemyPlanes.add(ep);}}
}

问题：循环内频繁实例化对象，触发类加载、初始化等流程，性能低下。

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2. 原型模式优化实现

2.1 实现Cloneable接口

public class EnemyPlane implements Cloneable {private int x;private int y = 0;public EnemyPlane(int x) { this.x = x; }// 开放坐标修改（克隆后调整状态）public void setX(int x) { this.x = x; }@Overridepublic EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {return (EnemyPlane) super.clone(); // JVM内存拷贝，效率极高}
}

2.2 原型工厂封装

public class EnemyPlaneFactory {private static EnemyPlane protoType = new EnemyPlane(200); // 原型实例public static EnemyPlane getInstance(int x) throws CloneNotSupportedException {EnemyPlane clone = protoType.clone();clone.setX(x); // 调整克隆体坐标return clone;}
}

优势：克隆仅需0 - 1 ms，相比new操作（10~50ms）性能提升10倍以上。

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三、深浅拷贝核心问题与解决方案

• 浅拷贝：只复制对象的值类型字段和引用类型字段的地址，导致多个对象共享同一个引用对象。

• 深拷贝：不仅复制对象的值类型字段，还会递归复制引用类型字段的实际对象，确保每个对象都有独立的引用对象。

1. 浅拷贝陷阱

当对象包含引用类型字段时：

public class EnemyPlane implements Cloneable {private Bullet bullet = new Bullet(); // 引用类型// ...@Overridepublic EnemyPlane clone() {return (EnemyPlane) super.clone(); // 浅拷贝：bullet地址被复制}
}

问题：克隆后的敌机会共享同一颗子弹对象，修改任意克隆体的子弹属性会影响所有实例。

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2. 深拷贝实现

public class EnemyPlane implements Cloneable {private Bullet bullet;@Overridepublic EnemyPlane clone() throws CloneNotSupportedException {EnemyPlane clone = (EnemyPlane) super.clone(); // 浅拷贝：复制值类型字段和引用地址clone.bullet = this.bullet.clone(); // 深拷贝：递归克隆引用对象return clone;}
}// Bullet也需实现Cloneable
public class Bullet implements Cloneable {@Overridepublic Bullet clone() throws CloneNotSupportedException {return (Bullet) super.clone();}
}

关键点：

• 所有嵌套对象都需实现Cloneable
• 递归调用clone方法形成克隆链

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四、原型模式应用场景

场景	说明
对象创建成本高	如需要复杂初始化的网络连接对象
高频创建相似对象	游戏中的子弹/敌机生成、文档模板克隆
需要隔离对象创建细节	不希望调用方依赖具体类构造函数

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五、面试要点总结

1. 原型模式核心价值

   • 避免重复初始化，提升对象创建性能
   • 简化复杂对象创建流程

2. 深浅拷贝区别

   • 浅拷贝：复制值类型+引用地址（共享引用对象）
   • 深拷贝：完全复制值类型和引用对象（递归克隆）

3. 实现深拷贝的三种方式

   • 递归实现Cloneable（如本文示例）
   • 序列化/反序列化（实现Serializable）
   • 使用第三方库（Apache Commons Lang3）

4. JDK中的原型应用

   • ArrayList.clone()
   • Arrays.copyOf()

5. 注意事项

   • 深拷贝可能引发循环引用问题
   • 需要处理final字段的特殊情况
   • 考虑使用原型管理器管理多种原型