原型模式（Prototype Pattern）——对象克隆、深克隆与浅克隆及适用场景

原型模式（Prototype Pattern）是设计模式中的一种创建型模式，目的是通过复制现有的对象来创建新的对象，而不是通过传统的实例化方式。原型模式常常用于需要创建大量类似对象的场景，可以提高性能并减少资源的消耗。下面将详细介绍原型模式的基本概念、对象克隆的实现、深克隆与浅克隆的区别以及原型模式的适用场景。

什么是原型模式

原型模式的核心思想是：通过“复制”一个已有的实例（原型），来创建新的对象，而不需要重新初始化一个新的对象。这样可以避免一些对象的重复构建，尤其是当对象的创建成本较高时，使用原型模式可以显著提高性能。

原型模式的结构

原型模式通常由以下几个部分构成：

• Prototype（原型）接口：该接口声明一个克隆方法（如 clone()），该方法用于克隆当前对象。
• ConcretePrototype（具体原型）：实现克隆方法的具体类，通常该类中包含需要复制的属性或数据。
• Client（客户端）：负责使用原型对象，通过调用原型的克隆方法来创建新的实例。

对象克隆

对象克隆指的是通过现有对象创建一个完全相同的新对象。克隆操作可以通过两种方式实现：

• 浅克隆（Shallow Copy）：仅复制对象本身的引用，不复制引用类型的属性对象。即复制对象的字段，但引用类型的字段仍然指向原对象中的相同地址。
• 深克隆（Deep Copy）：复制对象及其所有引用的对象，确保原对象和新对象之间完全独立。所有的对象和其包含的引用对象都会被重新创建一份。

浅克隆（Shallow Copy）

浅克隆是指复制对象时，只复制对象的基本数据类型字段和引用类型字段的引用，而不对引用类型字段指向的对象进行克隆。换句话说，浅克隆会使得原对象和克隆对象共享某些引用数据。

示例：浅克隆

class Person implements Cloneable {private String name;private int age;private Address address;public Person(String name, int age, Address address) {this.name = name;this.age = age;this.address = address;}public Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone(); // 使用 Object 类的 clone() 方法进行浅克隆}// Getter and Setter
}class Address {private String street;public Address(String street) {this.street = street;}// Getter and Setter
}

在上述示例中，Person类实现了 Cloneable 接口，并通过 super.clone() 实现了浅克隆。Person 的 address 字段是一个引用类型，浅克隆后，原对象和克隆对象会共享同一个 Address 对象。

深克隆（Deep Copy）

深克隆是指复制对象时，不仅复制对象本身，还递归地复制对象中所有引用类型字段所指向的对象。这样，原对象和克隆对象就完全独立，互不干扰。

示例：深克隆

class Person implements Cloneable {private String name;private int age;private Address address;public Person(String name, int age, Address address) {this.name = name;this.age = age;this.address = address;}public Object clone() throws CloneNotSupportedException {// 深克隆：手动克隆 address 对象Person cloned = (Person) super.clone();cloned.address = (Address) address.clone();return cloned;}// Getter and Setter
}class Address implements Cloneable {private String street;public Address(String street) {this.street = street;}public Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone(); // 递归克隆地址对象}// Getter and Setter
}

在这个例子中，Person类通过手动克隆address对象实现了深克隆。原对象和克隆对象的address字段是独立的，即使修改一个对象的address，另一个对象的address也不会受到影响。

浅克隆与深克隆的区别

特性	浅克隆（Shallow Copy）	深克隆（Deep Copy）
复制对象	仅复制对象的基本数据类型字段和引用类型字段的引用	复制对象及其所有引用类型字段指向的对象
引用类型字段	引用类型字段指向相同的对象	引用类型字段指向独立的对象
性能	较高，克隆操作较为简单	较低，需递归克隆所有对象
适用场景	当对象中没有嵌套引用类型，或者引用类型对象无需独立时	当对象中包含嵌套引用类型，并且需要独立的对象时

原型模式的适用场景

原型模式适用于以下几种情况：

1. 对象创建成本较高或复杂：当创建对象非常复杂或资源消耗较大时，可以通过克隆现有对象来节省时间和资源。

示例：当创建一个数据库连接对象时，通常建立连接需要很多时间和系统资源，而通过克隆一个已连接的对象来获得一个新的连接，效率会更高。

2. 需要复制多个相似对象：当需要创建一批类似的对象时，通过复制现有的对象来避免重复的初始化过程。

示例：在图形设计软件中，可以复制一个已有的图形（如矩形、圆形等）来创建新图形，而不需要重新绘制。

3. 需要变更部分属性：当对象的大部分属性保持不变时，可以通过克隆现有对象并修改部分属性来生成新的对象。

示例：在游戏中，玩家创建角色时，可以复制一个已有的角色模板，然后修改角色的一些属性（如装备、技能等）来快速创建新角色