设计模式-04-原型模式

       经典的设计模式有23种，但是常用的设计模式一般情况下不会到一半，我们就针对一些常用的设计模式进行一些详细的讲解和分析，方便大家更加容易理解和使用设计模式。

1-什么是原型模式

       如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式，来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式，简称原型模式。

2-原型模式的应用

       需求：假设数据库中存储了大约10万条“搜索关键词”信息，每条信息包含关键词名称、关键词被搜索的次数、信息最近被更新的时间等。系统A在启动的时候会加载这份数据到内存中，用于处理某些其他的业务需求。为了方便快速地查找某个关键词对应的信息，我们给关键词建立一个hashmap，其中key=关键词名称，value就是 关键词对象（包括名称，检索次数，更新时间）。

       另外一个系统B，专门用来分析搜索日志，定期（比如间隔10分钟）批量地更新数据库中的数据，并且标记为新的数据版本（更新时会把更新时间变成当前时间）。这里我们假设只有更新和新添关键词，没有删除关键词的行为。

       为了保证系统A中数据的实时性（不一定非常实时，但数据也不能太旧），系统A需要定期根据数据库中的数据，更新内存中的索引和数据。

public class Demo {
  private ConcurrentHashMap currentKeywords = new ConcurrentHashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
 
  public void refresh() {
    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
    List toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (currentKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        currentKeywords.replace(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      } else {
        currentKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
 
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
  }
 
  private List getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }

       现在我们有一个特殊的需求：任何时刻，系统A中的所有数据都必须是同一个版本的，要么都是版本a，要么都是版本b，不能有的是版本a，有的是版本b。那刚刚的更新方式就不能满足这个要求了。除此之外，我们还要求：在更新内存数据的时候，系统A不能处于不可用状态，也就是不能停机更新数据。

      实际上，也不难。我们把正在使用的数据的版本定义为“服务版本”，当我们要更新内存中的数据的时候，我们并不是直接在服务版本（假设是版本a数据）上更新，而是重新创建另一个版本数据（假设是版本b数据），等新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本a切换到版本b。这样既保证了数据一直可用，又避免了中间状态的存在。

public class Demo {
  private HashMap currentKeywords=new HashMap<>();
 
  public void refresh() {
    HashMap newKeywords = new LinkedHashMap<>();
 
    // 从数据库中取出所有的数据，放入到newKeywords中
    List toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords();
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }
 
    currentKeywords = newKeywords;
  }
 
  private List getSearchWords() {
    // TODO: 从数据库中取出所有的数据
    return null;
  }
}

       在上面的代码实现中，newKeywords构建的成本比较高。我们需要将这10万条数据从数据库中读出，然后计算哈希值，构建newKeywords。这个过程显然是比较耗时。为了提高效率，原型模式就派上用场了。

       思路：我们拷贝currentKeywords数据到newKeywords中，然后从数据库中只捞出新增或者有更新的关键词，更新到newKeywords中。而相对于10万条数据来说，每次新增或者更新的关键词个数是比较少的，所以，这种策略大大提高了数据更新的效率。

public class Demo {
  private HashMap currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
 
  public void refresh() {
    // 原型模式就这么简单，拷贝已有对象的数据，更新少量差值
    HashMap newKeywords = (HashMap) currentKeywords.clone();
 
    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
        oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
        oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
      } else {
        newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
 
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
 
  private List getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }

       这里我们利用了Java中的clone()语法来复制一个对象。如果你熟悉的语言没有这个语法，那把数据从currentKeywords中一个个取出来，然后再重新计算哈希值，放入到newKeywords中也是可以接受的。毕竟，最耗时的还是从数据库中取数据的操作。相对于数据库的IO操作来说，内存操作和CPU计算的耗时都是可以忽略的。

3-深拷贝和浅拷贝

        浅拷贝只会复制图中的索引（散列表），不会复制数据（SearchWord对象）本身。相反，深拷贝不仅仅会复制索引，还会复制数据本身。浅拷贝得到的对象（newKeywords）跟原始对象（currentKeywords）共享数据（SearchWord对象），而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。

       在Java语言中，Object类的clone()方法执行的就是我们刚刚说的浅拷贝。它只会拷贝对象中的基本数据类型的数据（比如，int、long），以及引用对象（SearchWord）的内存地址，不会递归地拷贝引用对象本身。

       在上面的代码中，我们通过调用HashMap上的clone()浅拷贝方法来实现原型模式。当我们通过newKeywords更新SearchWord对象的时候（比如，更新“设计模式”这个搜索关键词的访问次数），newKeywords和currentKeywords因为指向相同的一组SearchWord对象，就会导致currentKeywords中指向的SearchWord，有的是老版本的，有的是新版本的，就没法满足我们之前的需求：currentKeywords中的数据在任何时刻都是同一个版本的，不存在介于老版本与新版本之间的中间状态。

如何实现深拷贝

第一种方法：递归拷贝对象、对象的引用对象以及引用对象的引用对象……直到要拷贝的对象只包含基本数据类型数据，没有引用对象为止。

第二种方法：先将对象序列化，然后再反序列化成新的对象。

       我们可以先采用浅拷贝的方式创建newKeywords。对于需要更新的SearchWord对象，我们再使用深度拷贝的方式创建一份新的对象，替换newKeywords中的老对象。毕竟需要更新的数据是很少的。这种方式即利用了浅拷贝节省时间、空间的优点，又能保证currentKeywords中的中数据都是老版本的数据。具体的代码实现如下所示。这也是标题中讲到的，在我们这个应用场景下，最快速clone散列表的方式

public class Demo {
  private HashMap currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
 
  public void refresh() {
    // Shallow copy
    HashMap newKeywords = (HashMap) currentKeywords.clone();
 
    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        newKeywords.remove(searchWord.getKeyword());
      }
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }
 
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
 
  private List getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }