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原型模式 (Prototype)_基于内存二进制流的高效对象克隆

P粉602998670

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发布时间:2026-02-13 12:02:02

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来源于php中文网

原创

clone() 比 new 快因直接复制内存二进制布局,绕过构造函数;但仅适用于无外部资源、可序列化的对象,否则引发资源冲突或崩溃。

原型模式 (prototype)_基于内存二进制流的高效对象克隆

为什么 clone()new 快,但不是所有对象都能用它

因为原型模式绕过了构造函数和初始化逻辑,直接复制内存中的二进制布局。Java 的 Object.clone()、C# 的 MemberwiseClone()、Python 的 copy.copy()(浅拷贝)底层都依赖这一机制。但它只对“可序列化且无外部资源绑定”的对象安全——比如一个只含基本类型和不可变引用的 DTO;一旦对象里有 FileHandleSocketThread 或带自定义 finalize() 的类,二进制复制会导致两个对象指向同一资源,运行时崩溃或数据错乱。

  • Java 中必须显式实现 Cloneable 接口,否则抛 CloneNotSupportedException
  • C# 的 MemberwiseClone()protected,子类需封装为 public 方法才能调用
  • Python 的 copy.deepcopy() 不走二进制流,而是递归重建,性能差一个数量级,别误当原型模式用

Java 里 clone()CloneNotSupportedException 怎么办

这不是配置问题,是 Java 的强制契约:不声明自己“可克隆”,就不许克隆。即使你没写任何逻辑,也得让类实现 Cloneable 接口——它是个空标记接口,但 JVM 会检查这个 flag。

  • 必须在类定义加 implements Cloneable,缺一个字母都不行
  • clone() 方法要重写为 public,否则子类无法调用
  • 如果类有引用类型字段(如 ArrayList<string></string>),默认 super.clone() 只做浅拷贝,原对象和克隆体共享内部数组,后续修改会互相污染
  • 深拷贝得手动 new 新集合、遍历 copy 元素,或者改用 SerializationUtils.clone()(Apache Commons),它靠序列化/反序列化实现真正的深克隆

C# 中 MemberwiseClone() 返回 object,怎么安全转型

它返回的是基类 object,不是当前类型,编译器不帮你自动转。硬转可能 runtime 失败,尤其继承链深或泛型类型复杂时。

Scenario
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  • 最稳妥是用 as 操作符: var cloned = this.MemberwiseClone() as MyClass;,失败时为 null,可立刻判断
  • 别用 (MyClass)this.MemberwiseClone() 强转,一旦类型不匹配直接抛 InvalidCastException
  • 如果类是泛型(如 MyClass<t></t>),MemberwiseClone() 仍能工作,但返回类型仍是 object,需配合 as 和非空检查
  • 注意:值类型字段(intstruct)会被完整复制,引用类型字段(stringList<t></t>)只复制引用,这点和 Java 一致

Python 用 pickle 模拟原型模式,为什么有时比 copy.deepcopy() 还慢

因为 pickle 要走编码/解码两道工序,本质是序列化到字节流再重建对象。它确实能绕过 __init__(),符合“跳过构造逻辑”的原型语义,但 IO 开销和反射解析成本高。

  • 仅当对象结构极深、且含大量不可变数据(如嵌套 dict/list)时,pickle 才可能略快于 deepcopy
  • 一旦对象里有不可 pickle 的东西(lambda、打开的文件、模块级变量),直接报 TypeError: can't pickle XXX objects
  • 真正高效的替代方案是手写 __copy____deepcopy__,把关键字段显式 new 出来,避免通用逻辑的遍历开销
  • 如果只是想避免 __init__,更轻量的做法是用 __new__ + __dict__.update(),但要求类没有 __slots__

原型模式的高效是有代价的:它把“对象状态一致性”的校验责任,从语言运行时移交给了程序员。二进制复制越快,越容易漏掉那些藏在 final 字段、静态缓存或 native 句柄里的隐性依赖。

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