原型模式（Prototype Pattern） ​

1. 官方定义 ​

"Specify the kinds of objects to create using a prototypical instance, and create new objects by copying this prototype."
—— 《Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software》(GoF, 1994)

核心：通过复制现有原型实例来创建新对象，而非通过 new 构造器直接实例化。

2. 模式解释 ​

核心思想 ​

• 克隆代替构造：绕过复杂的构造过程，通过复制已有对象快速生成新实例。
• 动态配置对象：原型对象可预先配置默认属性，克隆后按需修改。
• 性能优化：避免重复初始化高成本资源（如数据库连接、复杂计算）。

典型结构 ​

           |<<Interface>>|
           Prototype
                △
                | implements clone()
                |
        ConcretePrototype
                |
                clone() → new instance

优点 ​

• 性能提升：克隆比重新构造对象更快（尤其适合初始化成本高的对象）。
• 动态灵活性：运行时动态生成对象（如通过配置选择原型）。
• 简化对象创建：隐藏对象构造细节，客户端仅需调用 clone()。

缺点 ​

• 深拷贝复杂性：需正确处理引用类型字段的复制（如集合、嵌套对象）。
• 克隆方法侵入性：需实现 Cloneable 接口（Java）或类似机制，破坏封装性。
• 循环引用风险：对象间相互引用可能导致无限递归克隆。

3. 解决的问题 ​

经典场景 ​

1. 高成本对象创建
   • 数据库连接、线程池等资源密集型对象复用。
2. 动态配置对象
   • 游戏中的敌人模板克隆（预设血量、技能，克隆后微调属性）。
3. 撤销/重做功能
   • 通过克隆保存对象历史状态（如文档编辑器的快照功能）。

4. 实现注意事项 ​

关键实现点 ​

1. 深拷贝 vs 浅拷贝
   • 浅拷贝：仅复制值类型字段，引用类型字段共享同一对象（Java 默认 clone()）。
   • 深拷贝：递归复制所有引用对象（需手动实现或序列化/反序列化）。
2. 克隆方法设计
   • 实现 Cloneable 接口（Java）或自定义 clone() 方法（其他语言）。
3. 循环引用处理
   • 使用临时映射表（Map）记录已克隆对象，防止无限递归。
4. 不可变对象优化
   • 若对象不可变（如 String），可直接共享引用，无需深拷贝。

代码示例（Java 深拷贝） ​

class Prototype implements Cloneable {
    private List<String> data;

    public Prototype(List<String> data) {
        this.data = new ArrayList<>(data); // 防御性复制
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            Prototype copy = (Prototype) super.clone();
            copy.data = new ArrayList<>(this.data); // 深拷贝引用类型
            return copy;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new AssertionError();
        }
    }
}

5. 实现变体 ​

6. 相似模式对比 ​

7. 组合使用场景 ​

常见搭配模式 ​

1. 备忘录模式（Memento）
   • 场景：通过克隆保存对象历史状态，支持撤销操作。
2. 组合模式（Composite）
   • 场景：复制树形结构对象（如文件系统目录）。
3. 抽象工厂模式
   • 场景：工厂类通过克隆预配置的原型生成新对象（如游戏道具生成器）。

8. 总结与关键词 ​

关键词 ​

• 原型模式 (Prototype Pattern)
• 设计模式 (Design Patterns)
• 对象克隆 (Object Cloning)
• 深拷贝 (Deep Copy)
• 浅拷贝 (Shallow Copy)
• 性能优化 (Performance Optimization)

总结 ​

• 核心价值：通过克隆优化对象创建性能，支持动态配置。
• 适用场景：对象初始化成本高、需动态生成变体、或需保存历史状态。
• 避坑指南：
  • 优先使用不可变对象减少深拷贝需求。
  • 慎用 Java 默认 clone()，推荐手动实现深拷贝或使用序列化。
• 经典案例：Java 的 ArrayList.clone()、Spring 的 Bean 原型作用域。

附：深拷贝实现方式对比

通过合理使用原型模式，可在复杂系统中显著提升资源利用率和代码灵活性。