【设计模式】原型模式
定义
原型（Prototype）模式的定义如下：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。
原型模式主要解决的是创建重复对象的问题，而这部分对象内容本身比较复杂，从数据库或者RPC接口中获取相关对象数据的耗时较长，因此需要采用复制的方式节省时间。
实践
每个人都经历过考试，大部分情况都是在纸质的试卷上答题，随着互联网的兴起，也有一些考试改为上机考试。
下面就来实现这样的功能：同样一张试卷、同样的题目、同样的答案，把题目和答案全部混排。
在模拟工程中，提供了试卷中两类题目：选择题类（ChoiceQuestion）和问答题类（AnswerQuestion）。如果是实际的业务开发，还会有更多的考试题目类型，可以根据实际情况自行添加。
@Data
public class ChoiceQuestion {
// 题目
private String name;
// 选项；A、B、C、D
private Map<String, String> option;
// 答案；B
private String key;
public ChoiceQuestion(String name, Map<String, String> option, String key) {
this.name = name;
this.option = option;
this.key = key;
}
}
在选择题类（ChoiceQuestion）中，提供了题目名称、题目选项和题目答案三种属性。
@Data
public class AnswerQuestion {
// 问题
private String key;
// 答案
private String name;
public AnswerQuestion(String name, String key) {
this.name = name;
this.key = key;
}
}
在问答题类（AnswerQuestion）中，提供了问题和答案两种属性。
原型模式主要解决的问题是创建大量的重复对象，而这里模拟的场景同样是需要给不同的考生创建相同的试卷，但在创建过程中，这些试卷的题目不应该每次都从数据库或者远程 RPC 接口中获取。这些操作都是非常耗时的，而且随着创建对象的增多，将严重降低创建效率。
另外，在解决获取相同试卷题目的问题后，还需要将试卷的题目与答案混排。而这种混排的过程就可以使用原型模式。在原型模式中，需要的重要技术手段是复制，而在需要用到复制的类中需要实现 Cloneable 接口。
整个工程结构并不复杂，主要包括如下内容：
- 题目类 ChoiceQuestion、AnswerQuestion 被用在题库创建中；
- 针对每一张试卷，都会复制。复制完成后，将试卷的题目及相应的答案混排。这里提供了工具包 TopicRandomUtil。
- 核心的题库类 QuestionBank 主要负责将各个题目进行组装，最终输出试卷。
题目混排工具包
@Data
public class Topic {
private Map<String, String> option;
private String key;
public Topic() {
}
public Topic(Map<String, String> option, String key) {
this.option = option;
this.key = key;
}
}
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.}
*/
public static Topic random(Map<String, String> option, String key) {
Set<String> keySet = option.keySet();
ArrayList<String> keyList = new ArrayList<>(keySet);
Collections.shuffle(keyList);
HashMap<String, String> optionNew = new HashMap<>();
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);
}
}
这个类中的操作内容主要包括以下三个方面：
- 两个 append（）对各项题目的添加有点像在建造者模式中使用的方式——添加装修材料。
- clone（）的核心操作是复制对象，这里的复制不仅包括对象本身，也包括两个集合。只有这样的复制才能确保在操作复制对象时不影响原对象。
- 混排操作在list集合中有一个方法——Collections.shuffle，可以将原有集合的顺序打乱，输出一个新的顺序。这里使用此方法对题目进行混排操作。
接下来初始化试卷数据
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();
}
}
这个类的内容就比较简单了，主要提供对试卷内容的模式初始化操作（所有考生的试卷一样，但题目顺序不一致）。
对外部提供创建试卷的方法，在创建的过程中使用的是复制的方式 （QuestionBank）questionBank.clone（）；，并最终返回试卷信息。
@Data
public class QuestionBank implements Cloneable {
// 考生
private String number;
// 考号
private String candidate;
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;
}
@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();
}
}
最后进行测试验证
public class TestPrototype {
public static void main(String[] args) throws Exception {
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"));
}
}
总结
以上的实际业务场景模拟了原型模式在开发中的作用。因为原型模式的使用频率不是很高，所以如果有一些特殊场景需要使用，可以按照此设计模式优化。
另外，原型设计模式的优点包括：便于通过克隆方式创建复杂对象，也可以避免重复初始化，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复制，以及类中深度使用对象的复制，都会使此模式变得非常麻烦。
设计模式终究是一种设计思想，只有在不同的场景中合理地运用才能提升整体架构的质量。永远不要想着生硬地套用设计模式，否则将会导致过渡设计，并在满足业务反复变化的需求时造成开发浪费，增加维护成本。
另外，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。只有不断地加强自己对全局能力的把控，才能加深自己对细节处理的理解。
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原始发表：2021-11-17，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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