原型模式详解

以下是一个结合原型模式解决实际开发问题的Java实现案例，涵盖深拷贝实现、性能优化、动态配置克隆等场景需求，附带逐行中文注释：

场景描述

实现一个可复用的游戏角色模板系统，需满足：
快速克隆：避免重复执行角色初始化（如加载3D模型、读取配置文件）
深度克隆：确保克隆对象与原对象完全独立（包括嵌套对象）
动态修改：克隆后允许局部修改属性（如武器、皮肤）
性能优化：避免重复IO操作（如模型加载）

完整代码实现

import java.io.*;/*** 游戏角色原型（实现Cloneable接口）*/
class GameCharacter implements Cloneable, Serializable {private String name;private Weapon weapon;  // 武器对象（自定义类）private byte[] model3D; // 3D模型数据（模拟大对象）public GameCharacter(String name, String modelPath) {this.name = name;load3DModel(modelPath); // 模拟耗时IO操作this.weapon = new Weapon("默认武器"); // 初始化默认武器}// 模拟从文件加载3D模型（耗时操作）private void load3DModel(String path) {System.out.println("正在加载模型：" + path);// 假设此处读取文件到byte[]this.model3D = new byte[1024 * 1024]; // 模拟1MB模型数据}/*** 浅拷贝实现（不推荐，拷贝引用，原对象变化，拷贝对象也会变化，经典八股问题之一）*/@Overridepublic GameCharacter clone() throws CloneNotSupportedException {return (GameCharacter) super.clone();}/*** 深拷贝实现（通过序列化）*/public GameCharacter deepClone() {ByteArrayOutputStream bos;ObjectOutputStream oos;ByteArrayInputStream bis;ObjectInputStream ois;try {// 将对象写入流，这里需要显式关闭,final关闭,也可以使用try-with-resourcesbos = new ByteArrayOutputStream();oos = new ObjectOutputStream(bos);oos.writeObject(this);// 从流中读取对象，这里需要显式关闭bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());ois = new ObjectInputStream(bis);return (GameCharacter) ois.readObject();} catch (IOException | ClassNotFoundException e) {throw new RuntimeException("克隆失败", e);} finally {//..关闭流;}}// 修改武器（测试用）public void setWeapon(Weapon weapon) {this.weapon = weapon;}// 显示角色信息public void showInfo() {System.out.printf("角色：%s | 武器：%s | 模型哈希：%d%n",name, weapon.getName(), model3D.hashCode());}// 武器类（必须实现Serializable）static class Weapon implements Serializable {private String name;public Weapon(String name) { this.name = name; }public String getName() { return name; }}
}/*** 原型管理器（存储常用原型）*/
class PrototypeManager {private static final java.util.Map<String, GameCharacter> prototypes = new java.util.HashMap<>();// 预加载原型static {prototypes.put("warrior", new GameCharacter("战士", "models/warrior.obj"));prototypes.put("mage", new GameCharacter("法师", "models/mage.obj"));}// 获取原型副本public static GameCharacter getCharacter(String type) {GameCharacter proto = prototypes.get(type);if (proto == null) throw new IllegalArgumentException("未知角色类型");return proto.deepClone(); // 返回深拷贝副本}
}// 测试代码
public class PrototypeDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 基础克隆测试GameCharacter orig = new GameCharacter("原型角色", "models/base.obj");orig.setWeapon(new GameCharacter.Weapon("默认武器"));GameCharacter shallowCopy = orig.clone();GameCharacter deepCopy = orig.deepClone();System.out.println("-- 浅拷贝 vs 深拷贝 --");orig.showInfo();          // 角色：原型角色 | 武器：默认武器 | 模型哈希shallowCopy.showInfo();   // 模型哈希相同（共享同一模型数据）deepCopy.showInfo();      // 模型哈希不同（独立数据），且只会拷贝引用// 2. 修改武器测试shallowCopy.weapon.name = "新武器";deepCopy.weapon.name = "超级武器";System.out.println("\n-- 武器修改后 --");//这里由于浅拷贝的对象改变了值，武器对象在两个对象里面属于同一个引用，原始对象的武器发生改变//深拷贝就会改变引用，不会影响原始对象，深拷贝就可以复制一个全新对象，所有均不影响原始对象orig.showInfo();          // 武器：新武器 模型哈希：558638686shallowCopy.showInfo();   // 武器：新武器 模型哈希：558638686deepCopy.showInfo();      // 武器：超级武器 模型哈希：1268447657// 3. 使用原型管理器GameCharacter warrior1 = PrototypeManager.getCharacter("warrior");GameCharacter warrior2 = PrototypeManager.getCharacter("warrior");System.out.println("\n-- 原型管理器生成对象 --");System.out.println("是否为同一模型：" + (warrior1.hashCode() == warrior2.hashCode())); // false（深拷贝）}
}

真实场景问题

1.当系统中需要创建大量相似对象，且这些对象之间的差异较小时，可以使用原型模式来复制一个已有对象，然后根据需要修改差异部分，减少对象创建的开销。
2.在数据库中获取的数据对象可能需要在业务逻辑中进行多次使用，而不希望频繁地从数据库中读取相同的数据。使用原型模式可以在第一次获取数据时创建原型对象，后续需要相似数据时直接复制原型对象，减少数据库交互。
3.当对象的创建过程较为复杂，包含多个步骤或依赖关系时，可以通过原型模式创建一个已经初始化的对象，然后在需要时进行复制，避免重复的初始化过程。
4.如果系统中有一些配置对象，这些对象的配置信息可能在运行时动态发生变化，使用原型模式可以在初始状态下创建一个配置对象的原型，然后根据需要进行复制并动态修改配置信息。