设计模式之原型模式

来源自《重学Java设计模式》链接提取码：ytc3

原型模式

原型模式主要解决的问题就是创建重复对象，而这部分对象内容本身比较复杂，生成过程可能从库或者RPC接口中获取数据的耗时较长，因此采用克隆的方式节省时间。

案例场景模拟

思考为了保证考试的公平性，现采取将题库中的题进行试题混排的需求，该如何完成？

因为需要实现一个上机考试抽题的服务，因此在这里建造一个题库题目的场景类信息，用于创建；选择题、问答题。

选择题

/**
 * 单选题
 */
public class ChoiceQuestion {

    private String name;                 // 题目
    private Map<String, String> option;  // 选项；A、B、C、D
    private String key;                  // 答案；B

    public ChoiceQuestion() {
    }

    public ChoiceQuestion(String name, Map<String, String> option, String key) {
        this.name = name;
        this.option = option;
        this.key = key;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Map<String, String> getOption() {
        return option;
    }

    public void setOption(Map<String, String> option) {
        this.option = option;
    }

    public String getKey() {
        return key;
    }

    public void setKey(String key) {
        this.key = key;
    }
}

问答题

/**
 * 解答题
 */
public class AnswerQuestion {

    private String name;  // 问题
    private String key;   // 答案

    public AnswerQuestion() {
    }

    public AnswerQuestion(String name, String key) {
        this.name = name;
        this.key = key;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getKey() {
        return key;
    }

    public void setKey(String key) {
        this.key = key;
    }
}

面向过程，不使用设计模式解决：

public class QuestionBankController {

    public String createPaper(String candidate, String number) {

        List<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();
        List<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();

        Map<String, String> map01 = new HashMap<String, String>();
        map01.put("A", "JAVA2 EE");
        map01.put("B", "JAVA2 Card");
        map01.put("C", "JAVA2 ME");
        map01.put("D", "JAVA2 HE");
        map01.put("E", "JAVA2 SE");

        Map<String, String> map02 = new HashMap<String, String>();
        map02.put("A", "JAVA程序的main方法必须写在类里面");
        map02.put("B", "JAVA程序中可以有多个main方法");
        map02.put("C", "JAVA程序中类名必须与文件名一样");
        map02.put("D", "JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来");

        Map<String, String> map03 = new HashMap<String, String>();
        map03.put("A", "变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；");
        map03.put("B", "变量不能以数字作为开头；");
        map03.put("C", "A和a在java中是同一个变量；");
        map03.put("D", "不同类型的变量，可以起相同的名字；");

        Map<String, String> map04 = new HashMap<String, String>();
        map04.put("A", "STRING");
        map04.put("B", "x3x;");
        map04.put("C", "void");
        map04.put("D", "de$f");

        Map<String, String> map05 = new HashMap<String, String>();
        map05.put("A", "31");
        map05.put("B", "0");
        map05.put("C", "1");
        map05.put("D", "2");

        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("JAVA所定义的版本中不包括", map01, "D"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("下列说法正确的是", map02, "A"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("变量命名规范说法正确的是", map03, "B"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("以下()不是合法的标识符", map04, "C"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("表达式(11+3*8)/4%3的值是", map05, "D"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("小红马和小黑马生的小马几条腿", "4条腿"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("铁棒打头疼还是木棒打头疼", "头最疼"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("什么床不能睡觉", "牙床"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("为什么好马不吃回头草", "后面的草没了"));

        // 输出结果
        StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\r\n" +
                "考号：" + number + "\r\n" +
                "--------------------------------------------\r\n" +
                "一、选择题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
            for (String key : option.keySet()) {
                detail.append(key).append("：").append(option.get(key)).append("\r\n");
                ;
            }
            detail.append("答案：").append(choiceQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        detail.append("二、问答题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < answerQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(answerQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            detail.append("答案：").append(answerQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        return detail.toString();
    }

}

测试使用：

public class ApiTest {

    @Test
    public void test_QuestionBankController() {
        QuestionBankController questionBankController = new QuestionBankController();
        System.out.println(questionBankController.createPaper("花花", "1000001921032"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("豆豆", "1000001921051"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("大宝", "1000001921987"));
    }

}

result

考生：花花
考号：1000001921032
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 SE
答案：D

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：A

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
B：变量不能以数字作为开头；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：B

第4题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：x3x;
C：void
D：de$f
答案：C

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：0
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了


考生：豆豆
考号：1000001921051
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 SE
答案：D

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：A

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
B：变量不能以数字作为开头；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：B

第4题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：x3x;
C：void
D：de$f
答案：C

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：0
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了


考生：大宝
考号：1000001921987
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 SE
答案：D

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：A

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
B：变量不能以数字作为开头；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：B

第4题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：x3x;
C：void
D：de$f
答案：C

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：0
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

可以看见我们并未实现乱序的目的！

而且以上代码非常难以扩展，随着题目的不断增加以及乱序功能的补充，都会让这段代码变得越来越混乱。

使用原型模式重构代码

原型模式主要解决的问题就是创建大量重复的类，而我们模拟的场景就需要给不同的用户都创建相同的试卷，但这些试卷的题目不便于每次都从库中获取，甚至有时候需要从远程的RPC中获取。这样都是非常耗时的，而且随着创建对象的增多将严重影响效率。

在原型模式中所需要的非常重要的手段就是克隆，在需要用到克隆的类中都需要实现implements Cloneable接口。

原型模式结构模型

2020-11-05_113845

工程中包括了核心的题库类QuestionBank，题库中主要负责将各个的题目进行组装最终输出试卷。
针对每一个试卷都会使用克隆的方式进行复制，复制完成后将试卷中题目以及每个题目的答案进行乱序处理；TopicRandomUtil

代码实现

工具类TopicRandomUtil

public class TopicRandomUtil {

    /**
     * 乱序Map元素，记录对应答案key
     * @param option 题目
     * @param key    答案
     * @return Topic 乱序后 {A=c., B=d., C=a., D=b.}
     */
    static public Topic random(Map<String, String> option, String key) {
        Set<String> keySet = option.keySet();
        ArrayList<String> keyList = new ArrayList<String>(keySet);
        Collections.shuffle(keyList);
        HashMap<String, String> optionNew = new HashMap<String, String>();
        int idx = 0;
        String keyNew = "";
        for (String next : keySet) {
            String randomKey = keyList.get(idx++);
            if (key.equals(next)) {
                keyNew = randomKey;
            }
            optionNew.put(randomKey, option.get(next));
        }
        return new Topic(optionNew, keyNew);
    }

}

克隆对象处理类

public class QuestionBank implements Cloneable {

    private String candidate; // 考生
    private String number;    // 考号

    private ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();
    private ArrayList<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();

    public QuestionBank append(ChoiceQuestion choiceQuestion) {
        choiceQuestionList.add(choiceQuestion);
        return this;
    }

    public QuestionBank append(AnswerQuestion answerQuestion) {
        answerQuestionList.add(answerQuestion);
        return this;
    }

    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBank questionBank = (QuestionBank) super.clone();
        questionBank.choiceQuestionList = (ArrayList<ChoiceQuestion>) choiceQuestionList.clone();
        questionBank.answerQuestionList = (ArrayList<AnswerQuestion>) answerQuestionList.clone();

        // 题目乱序
        Collections.shuffle(questionBank.choiceQuestionList);
        Collections.shuffle(questionBank.answerQuestionList);
        // 答案乱序
        ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = questionBank.choiceQuestionList;
        for (ChoiceQuestion question : choiceQuestionList) {
            Topic random = TopicRandomUtil.random(question.getOption(), question.getKey());
            question.setOption(random.getOption());
            question.setKey(random.getKey());
        }
        return questionBank;
    }

    public void setCandidate(String candidate) {
        this.candidate = candidate;
    }

    public void setNumber(String number) {
        this.number = number;
    }

    @Override
    public String toString() {

        StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\r\n" +
                "考号：" + number + "\r\n" +
                "--------------------------------------------\r\n" +
                "一、选择题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
            for (String key : option.keySet()) {
                detail.append(key).append("：").append(option.get(key)).append("\r\n");;
            }
            detail.append("答案：").append(choiceQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        detail.append("二、问答题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < answerQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(answerQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            detail.append("答案：").append(answerQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        return detail.toString();
    }

}

这里的主要操作内容有三个，分别是；

两个append()，对各项题目的添加，有点像我们在建造者模式中使用的方式，添加装修物料。
clone()，这里的核心操作就是对对象的复制，这里的复制不只是包括了本身，同时对两个集合也做了复制。只有这样的拷贝才能确保在操作克隆对象的时候不影响原对象。
乱序操作，在list集合中有一个方法，Collection.shuffle，可以将原有集合的顺序打乱，输出一个新的顺序。在这里我们使用此方法对题目进行乱序操作。

初始化试卷数据

public class QuestionBankController {

    private QuestionBank questionBank = new QuestionBank();

    public QuestionBankController() {

        Map<String, String> map01 = new HashMap<String, String>();
        map01.put("A", "JAVA2 EE");
        map01.put("B", "JAVA2 Card");
        map01.put("C", "JAVA2 ME");
        map01.put("D", "JAVA2 HE");
        map01.put("E", "JAVA2 SE");

        Map<String, String> map02 = new HashMap<String, String>();
        map02.put("A", "JAVA程序的main方法必须写在类里面");
        map02.put("B", "JAVA程序中可以有多个main方法");
        map02.put("C", "JAVA程序中类名必须与文件名一样");
        map02.put("D", "JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来");

        Map<String, String> map03 = new HashMap<String, String>();
        map03.put("A", "变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；");
        map03.put("B", "变量不能以数字作为开头；");
        map03.put("C", "A和a在java中是同一个变量；");
        map03.put("D", "不同类型的变量，可以起相同的名字；");

        Map<String, String> map04 = new HashMap<String, String>();
        map04.put("A", "STRING");
        map04.put("B", "x3x;");
        map04.put("C", "void");
        map04.put("D", "de$f");

        Map<String, String> map05 = new HashMap<String, String>();
        map05.put("A", "31");
        map05.put("B", "0");
        map05.put("C", "1");
        map05.put("D", "2");

        questionBank.append(new ChoiceQuestion("JAVA所定义的版本中不包括", map01, "D"))
                .append(new ChoiceQuestion("下列说法正确的是", map02, "A"))
                .append(new ChoiceQuestion("变量命名规范说法正确的是", map03, "B"))
                .append(new ChoiceQuestion("以下()不是合法的标识符",map04, "C"))
                .append(new ChoiceQuestion("表达式(11+3*8)/4%3的值是", map05, "D"))
                .append(new AnswerQuestion("小红马和小黑马生的小马几条腿", "4条腿"))
                .append(new AnswerQuestion("铁棒打头疼还是木棒打头疼", "头最疼"))
                .append(new AnswerQuestion("什么床不能睡觉", "牙床"))
                .append(new AnswerQuestion("为什么好马不吃回头草", "后面的草没了"));
    }

    public String createPaper(String candidate, String number) throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBank questionBankClone = (QuestionBank) questionBank.clone();
        questionBankClone.setCandidate(candidate);
        questionBankClone.setNumber(number);
        return questionBankClone.toString();
    }

}

对外部提供创建试卷的方法，在创建的过程中使用的是克隆的方式；(QuestionBank) questionBank.clone()；，并最终返回试卷信息。

测试验证

public class ApiTest {

    @Test
    public void test_QuestionBank() throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBankController questionBankController = new QuestionBankController();
        System.out.println(questionBankController.createPaper("花花", "1000001921032"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("豆豆", "1000001921051"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("大宝", "1000001921987"));
    }

}

result

考生：花花
考号：1000001921032
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 HE
B：JAVA2 ME
C：JAVA2 SE
D：JAVA2 EE
E：JAVA2 Card
答案：A

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序的main方法必须写在类里面
D：JAVA程序中类名必须与文件名一样
答案：C

第3题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：0
B：2
C：31
D：1
答案：B

第4题：变量命名规范说法正确的是
A：不同类型的变量，可以起相同的名字；
B：变量不能以数字作为开头；
C：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
D：A和a在java中是同一个变量；
答案：B

第5题：以下()不是合法的标识符
A：de$f
B：STRING
C：void
D：x3x;
答案：C

二、问答题

第1题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第2题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第3题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

第4题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿


考生：豆豆
考号：1000001921051
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：void
C：x3x;
D：de$f
答案：B

第2题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：1
C：0
D：2
答案：D

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量不能以数字作为开头；
B：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
C：不同类型的变量，可以起相同的名字；
D：A和a在java中是同一个变量；
答案：A

第4题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 HE
B：JAVA2 SE
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 EE
E：JAVA2 Card
答案：A

第5题：下列说法正确的是
A：JAVA程序中可以有多个main方法
B：JAVA程序中类名必须与文件名一样
C：JAVA程序的main方法必须写在类里面
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：C

二、问答题

第1题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了


考生：大宝
考号：1000001921987
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 ME
C：JAVA2 SE
D：JAVA2 Card
E：JAVA2 HE
答案：E

第2题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：0
B：1
C：2
D：31
答案：C

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：不同类型的变量，可以起相同的名字；
B：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：变量不能以数字作为开头；
答案：D

第4题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
D：JAVA程序中类名必须与文件名一样
答案：A

第5题：以下()不是合法的标识符
A：de$f
B：x3x;
C：STRING
D：void
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第3题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

总结

以上的实际场景模拟了原型模式在开发中的重构的作用。但是原型模式的使用频率确实不是很高。如果有一些特殊场景需要用到，也可以按照此设计模式进行优化。
另外原型模式的优点包括；便于通过克隆方式创建复杂对象、也可以避免重复做初始化操作、不需要与类中所属的其他类耦合等。但也有一些缺点如果对象中包括了循环引用的克隆，以及类中深度使用对象的克隆，都会是此模式变得异常麻烦。
设计模式是一整套的思想，在不同的场景合理的运用可以提升整体的架构的质量。永远不要想着去硬凑设计模式。否则将会引起过度设计。以及在承接业务反复变化的需求时造成浪费的开发和维护成本。
初期是代码的优化，中期是设计模式的使用，后期是把控全局服务的搭建。

设计模式之原型模式

设计模式之原型模式

原型模式

案例场景模拟

面向过程，不使用设计模式解决：

测试使用：

使用原型模式重构代码

原型模式结构模型

代码实现

初始化试卷数据

测试验证

总结

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