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原型模式：如何最快速地clone一个HashMap散列表？

# 47 | 原型模式：如何最快速地clone一个HashMap散列表？

对于创建型模式，前面我们已经讲了单例模式、工厂模式、建造者模式，今天我们来讲最后一个：原型模式。

对于熟悉JavaScript语言的前端程序员来说，原型模式是一种比较常用的开发模式。这是因为，有别于Java、C++等基于类的面向对象编程语言，JavaScript是一种基于原型的面向对象编程语言。即便JavaScript现在也引入了类的概念，但它也只是基于原型的语法糖而已。不过，如果你熟悉的是Java、C++等这些编程语言，那在实际的开发中，就很少用到原型模式了。

今天的讲解跟具体某一语言的语法机制无关，而是通过一个clone散列表的例子带你搞清楚：原型模式的应用场景，以及它的两种实现方式：深拷贝和浅拷贝。虽然原型模式的原理和代码实现非常简单，但今天举的例子还是稍微有点复杂的，你要跟上我的思路，多动脑思考一下。

话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

# 原型模式的原理与应用

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（PrototypeDesignPattern），简称原型模式。

那何为“对象的创建成本比较大”？

实际上，创建对象包含的申请内存、给成员变量赋值这一过程，本身并不会花费太多时间，或者说对于大部分业务系统来说，这点时间完全是可以忽略的。应用一个复杂的模式，只得到一点点的性能提升，这就是所谓的过度设计，得不偿失。

但是，如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从RPC、网络、数据库、文件系统等非常慢速的IO中读取，这种情况下，我们就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作。

这么说还是比较理论，接下来，我们通过一个例子来解释一下刚刚这段话。

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、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散列表索引。

如果你熟悉的是Java语言，可以直接使用语言中提供的HashMap容器来实现。其中，HashMap的key为搜索关键词，value为关键词详细信息（比如搜索次数）。我们只需要将数据从数据库中读取出来，放入HashMap就可以了。

不过，我们还有另外一个系统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。比如，在下面的示例图中，我们对v2版本的数据进行更新，得到v3版本的数据。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。

图片

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。

我们该如何实现这个需求呢？

实际上，也不难。我们只需要在系统A中，记录当前数据的版本Va对应的更新时间Ta，从数据库中捞出更新时间大于Ta的所有搜索关键词，也就是找出Va版本与最新版本数据的“差集”，然后针对差集中的每个关键词进行处理。如果它已经在散列表中存在了，我们就更新相应的搜索次数、更新时间等信息；如果它在散列表中不存在，我们就将它插入到散列表中。

按照这个设计思路，我给出的示例代码如下所示：

public class Demo {
  private ConcurrentHashMap<String, SearchWord> 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<SearchWord> 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<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}
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不过，现在，我们有一个特殊的要求：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。

那我们该如何实现现在这个需求呢？

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。

按照这个设计思路，我给出的示例代码如下所示：

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();

  public void refresh() {
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new LinkedHashMap<>();

    // 从数据库中取出所有的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords();
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }

    currentKeywords = newKeywords;
  }

  private List<SearchWord> getSearchWords() {
    // TODO: 从数据库中取出所有的数据
    return null;
  }
}
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不过，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。

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。

按照这个设计思路，我给出的示例代码如下所示：

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> 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<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();

    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> 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<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}
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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。

不过，不知道你有没有发现，实际上，刚刚的代码实现是有问题的。要弄明白到底有什么问题，我们需要先了解另外两个概念：深拷贝（DeepCopy）和浅拷贝（ShallowCopy）。

# 原型模式的实现方式：深拷贝和浅拷贝

我们来看，在内存中，用散列表组织的搜索关键词信息是如何存储的。我画了一张示意图，大致结构如下所示。从图中我们可以发现，散列表索引中，每个结点存储的key是搜索关键词，value是SearchWord对象的内存地址。SearchWord对象本身存储在散列表之外的内存空间中。

图片

浅拷贝和深拷贝的区别在于，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。具体的对比如下图所示：

图片

图片

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。

现在，我们又该如何来解决这个问题呢？

我们可以将浅拷贝替换为深拷贝。newKeywords不仅仅复制currentKeywords的索引，还把SearchWord对象也复制一份出来，这样newKeywords和currentKeywords就指向不同的SearchWord对象，也就不存在更新newKeywords的数据会导致currentKeywords的数据也被更新的问题了。

那如何实现深拷贝呢？总结一下的话，有下面两种方法。

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。根据这个思路对之前的代码进行重构。重构之后的代码如下所示：

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;

  public void refresh() {
    // Deep copy
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new HashMap<>();
    for (HashMap.Entry<String, SearchWord> e : currentKeywords.entrySet()) {
      SearchWord searchWord = e.getValue();
      SearchWord newSearchWord = new SearchWord(
              searchWord.getKeyword(), searchWord.getCount(), searchWord.getLastUpdateTime());
      newKeywords.put(e.getKey(), newSearchWord);
    }

    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> 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<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }

}
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第二种方法：先将对象序列化，然后再反序列化成新的对象。具体的示例代码如下所示：

public Object deepCopy(Object object) {
  ByteArrayOutputStream bo = new ByteArrayOutputStream();
  ObjectOutputStream oo = new ObjectOutputStream(bo);
  oo.writeObject(object);
  
  ByteArrayInputStream bi = new ByteArrayInputStream(bo.toByteArray());
  ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(bi);
  
  return oi.readObject();
}
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刚刚的两种实现方法，不管采用哪种，深拷贝都要比浅拷贝耗时、耗内存空间。针对我们这个应用场景，有没有更快、更省内存的实现方式呢？

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<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;

  public void refresh() {
    // Shallow copy
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();

    // 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> 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<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
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# 重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。

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.原型模式的两种实现方法

原型模式有两种实现方法，深拷贝和浅拷贝。浅拷贝只会复制对象中基本数据类型数据和引用对象的内存地址，不会递归地复制引用对象，以及引用对象的引用对象……而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。所以，深拷贝比起浅拷贝来说，更加耗时，更加耗内存空间。

如果要拷贝的对象是不可变对象，浅拷贝共享不可变对象是没问题的，但对于可变对象来说，浅拷贝得到的对象和原始对象会共享部分数据，就有可能出现数据被修改的风险，也就变得复杂多了。除非像我们今天实战中举的那个例子，需要从数据库中加载10万条数据并构建散列表索引，操作非常耗时，比较推荐使用浅拷贝，否则，没有充分的理由，不要为了一点点的性能提升而使用浅拷贝。

# 课堂讨论

  • 在今天的应用场景中，如果不仅往数据库中添加和更新关键词，还删除关键词，这种情况下，又该如何实现呢？

  • 在

  • 第 7 讲

  • 中，为了让 ShoppingCart 的 getItems() 方法返回不可变对象，我们如下来实现代码。当时，我们指出这样的实现思路还是有点问题。因为当调用者通过 ShoppingCart 的 getItems() 获取到 items 之后，我们还是可以修改容器中每个对象（ShoppingCartItem）的数据。学完本节课之后，现在你有没有解决方法了呢？

public class ShoppingCart {
  // ...省略其他代码...
  public List<ShoppingCartItem> getItems() {
    return Collections.unmodifiableList(this.items);
  }
}

// Testing Code in main method:
ShoppingCart cart = new ShoppingCart();
List<ShoppingCartItem> items = cart.getItems();
items.clear();//try to modify the list
// Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationExceptio 

ShoppingCart cart = new ShoppingCart();
cart.add(new ShoppingCartItem(...));
List<ShoppingCartItem> items = cart.getItems();
ShoppingCartItem item = items.get(0);
item.setPrice(19.0); // 这里修改了item的价格属性
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欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。

# 精选评论

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岁月

课堂讨论题
关键字如果支持删除, 最简单高效的方法就是在数据表里加一个delete bool类型的字段, 占用空间不多, 但是很方便程序识别最近更新的数据里面, 有哪条是需要删除的. 不过这样会带来一个问题, 就是插入新关键字的时候, 要先检查一下是否存在同名的关键字, 有的话要把delete字段修改为false, 所以还需要对关键字建立索引, 这样可以高效查找出是否存在同名关键字
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忆水寒

让我想到了linux下面fork，其实内核也是拷贝了一份数据。Java里面的copyonwrite是不是也是这种深拷贝原理呢？
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辣么大

问题1:
方法一：新旧的数据取交集，可以删除旧map中的删除关键字，之后的逻辑就和文章中一样了。
方法二：逻辑删除，当map的size中已删除占比过高时，resize map。

争哥说：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。

Java HashMap的clone方法就把数据取出来，计算hash值，在放回去的。clone方法中，调用了putMapEntries方法，其中有一关键的一行，克隆重新计算了hash值：
putVal(hash(key), key, value, false, evict); 

文章中的深复制：为什么SearchWord不重写clone方法呢？
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
  SearchWord newWord = new SearchWord(this.keyWord, this.times, this.tmstamp);
  return newWord;
}
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L🚲🐱

平风造雨

Summer 空城

1，删除key对于clone的对象而言，不会影响之前的对象，所以实现应该不需要变化吧
2，return new ArrayList&lt;&gt;(this.items);
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传说中的成大大

不似旧日

守拙


课堂讨论:

1. 在今天的应用场景中，如果不仅往数据库中添加和更新关键词，还删除关键词，这种情况下，又该如何实现呢？

   方式一: 首先使用shallow copy得到一份旧的Map的copy, 然后从db读取新的Map. 对新旧两份Map取交集.

   这里着重说下取交集的方式: 使用Iterator遍历旧Map的copy的key, 如果新Map中不包含该key,则删除.

   

   方式二: 直接使用deep copy, 简单粗暴不讲道理.

   

2. 在第 7 讲中，为了让 ShoppingCart 的 getItems() 方法返回不可变对象，我们如下来实现代码。当时，我们指出这样的实现思路还是有点问题。因为当调用者通过 ShoppingCart 的 getItems() 获取到 items 之后，我们还是可以修改容器中每个对象（ShoppingCartItem）的数据。学完本节课之后，现在你有没有解决方法了呢？

   getItems()使用deep copy返回items的视图.
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李小四

乾坤瞬间

1，使用墓碑标记，删除a系统中的数据，并补job进行数据的删除
2，诋递归遍历进行深度copy
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javaadu

我在实际工作中就用到了类似的代码，这就是一个关键词识别模块，第一次在学习专栏中看到如此契合生产的代码，很赞👍

问题1: 数据库中新增一个字段标识逻辑删除
问题2:深拷贝出去，不过为啥我外部需要一个深拷贝的对象呢，还没理解
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Frank

我来也

思考题2:
即使是深拷贝，也是可以修改的，只是修改的不是原数据而已。

我对java语法不熟，不知道可否递归的使用  Collections.unmodifiableList 类似的方式，构建一个新的深拷贝对象。然后再返回这个对象的不可修改副本。

这样这个对象从里到外都是不可修改的属性了。
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aoe

，

问题1:
1.设置标记位,&#34;使用中&#34;,&#34;弃用&#34;,&#34;已删除&#34;等,检查到标记为&#34;弃用&#34;的数据时,删除map里的数据同时修改标记位为&#34;已删除&#34;,扫描数据库里更新的数据时增加检索条件&#34;使用中&#34;
2.每次数据库都全量扫描,拿到标记位为&#34;使用中&#34;的数据,直接替换map
3.删除数据时同时删除数据库和map里的数据
  个人认为方法1和方法3都很合适,方法二对数据库IO操作量比较大,不太适合
问题2:
返回深克隆对象即可
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Jxin

1.逻辑删除的话，代码都不用改。物理删除的话，我觉得在删除时联动清除map的缓存可行（单进程，分布式就得引入一个外部存储，告知所有节点删除某个缓存）。


2.根据业务场景，采用cow写时复制。提供只读的列表返回和写时的复制列表的返回两个方法。
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webmin

问题一：
       for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
        ...
        }
        Set&lt;String&gt; toBeUpdatedKeys = new HashSet&lt;&gt;();
        toBeUpdatedSearchWords.forEach((k) -&gt; toBeUpdatedKeys.add(k.getKeyword()));
        List&lt;String&gt; removeList = newKeywords.keySet().stream().filter((key) -&gt; !toBeUpdatedKeys.contains(key)).collect(Collectors.toList());
        removeList.forEach(newKeywords::remove);
问题二：
返回不可变对象，方法有两个
方法1：语言自带或第三方库的不可变对象机制，如：Java可以使用第三方库Guava的不可变集合；
方法2：返回一个深拷贝对象；
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小晏子

1. 考虑到删除关键词，那么最好数据库使用软删除，这样可以知道哪些关键词是被删除的，那么拿到这些被删除的关键词就可以在clone出来的newKeywords基础上，直接remove掉已经删除的哪些关键词就可以了。反之如果不是使用的软删除，那么就不好使用原型模式，需要获取新版本全量数据，然后和旧版本数据一一比对，看哪些数据是被删除的了。
2. 代码如下，将原来的items deep clone一份，这样就切断了与原来items的联系。
  public class ShoppingCart { 
    // ...省略其他代码... 
    public List&lt;ShoppingCartItem&gt; getItems() {
      List&lt;ShoppingCartItem&gt; tmpShoppingCartItems = new ArrayList&lt;&gt;();
      tmpShoppingCartItems.addAll(this.items);
      return Collections.unmodifiableList(tmpShoppingCartItems); 
    }
  }
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唐龙

之前听说，可能你在不经意间已经用过一些设计模式了，今天终于有这种感觉了，确实对原型模式有过一些简单应用。
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#极客时间
上次更新: 2022/05/23, 19:12:51
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代理模式：代理在RPC、缓存、监控等场景中的应用

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