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<audio id="audio" title="47 | 原型模式：如何最快速地clone一个HashMap散列表？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/7c/46/7ca5582641d1d9f4e672785e11e00f46.mp3"></audio>
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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。
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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。
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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。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 原型模式的原理与应用
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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**（Prototype Design Pattern），简称**原型模式**。
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**那何为“对象的创建成本比较大”？**
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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。
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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。
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**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。**
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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。
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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。
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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。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/05/0e/05233c28ddda51b81dfd946ffdef640e.jpg" alt="">
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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。
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我们该如何实现这个需求呢？
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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。
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按照这个设计思路，我给出的示例代码如下所示：
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```
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public class Demo {
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private ConcurrentHashMap<String, SearchWord> currentKeywords = new ConcurrentHashMap<>();
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private long lastUpdateTime = -1;
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public void refresh() {
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// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
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List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
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long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
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for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
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if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
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maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
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}
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if (currentKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
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currentKeywords.replace(searchWord.getKeyword(), searchWord);
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} else {
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currentKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
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}
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}
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lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
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}
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private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
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||
// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
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return null;
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}
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}
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```
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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。
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那我们该如何实现现在这个需求呢？
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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。
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按照这个设计思路，我给出的示例代码如下所示：
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```
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public class Demo {
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private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
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public void refresh() {
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HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new LinkedHashMap<>();
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||
// 从数据库中取出所有的数据，放入到newKeywords中
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List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords();
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for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
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newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
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}
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currentKeywords = newKeywords;
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}
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private List<SearchWord> getSearchWords() {
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||
// TODO: 从数据库中取出所有的数据
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return null;
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}
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}
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```
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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。
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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。
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按照这个设计思路，我给出的示例代码如下所示：
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```
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public class Demo {
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private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
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private long lastUpdateTime = -1;
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public void refresh() {
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// 原型模式就这么简单，拷贝已有对象的数据，更新少量差值
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HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
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// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
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List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
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long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
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for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
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if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
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maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
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}
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if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
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SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
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oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
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oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
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} else {
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newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
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}
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}
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lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
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currentKeywords = newKeywords;
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}
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private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
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// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
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return null;
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}
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}
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```
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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。
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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（Deep Copy）和浅拷贝（Shallow Copy）。
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## 原型模式的实现方式：深拷贝和浅拷贝
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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。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/f5/d2/f5ba85952b27a569687e2d44352216d2.jpg" alt="">
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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：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/74/82/74bceb7a0736957daaa4abeba6826182.jpg" alt="">
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/b9/1b/b978d054ab3183b9e0ae461e6abac81b.jpg" alt="">
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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。
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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。
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现在，我们又该如何来解决这个问题呢？
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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。
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那如何实现深拷贝呢？总结一下的话，有下面两种方法。
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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：
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```
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public class Demo {
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private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
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private long lastUpdateTime = -1;
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public void refresh() {
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// Deep copy
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HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new HashMap<>();
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for (HashMap.Entry<String, SearchWord> e : currentKeywords.entrySet()) {
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SearchWord searchWord = e.getValue();
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SearchWord newSearchWord = new SearchWord(
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searchWord.getKeyword(), searchWord.getCount(), searchWord.getLastUpdateTime());
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newKeywords.put(e.getKey(), newSearchWord);
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}
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// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
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List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
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long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
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for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
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if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
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maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
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}
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if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
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SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
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oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
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||
oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
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} else {
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newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
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}
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}
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lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
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currentKeywords = newKeywords;
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}
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private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
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// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
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return null;
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}
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}
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```
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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：
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```
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public Object deepCopy(Object object) {
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ByteArrayOutputStream bo = new ByteArrayOutputStream();
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ObjectOutputStream oo = new ObjectOutputStream(bo);
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oo.writeObject(object);
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ByteArrayInputStream bi = new ByteArrayInputStream(bo.toByteArray());
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ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(bi);
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return oi.readObject();
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}
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```
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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？
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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。
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```
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public class Demo {
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private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
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||
private long lastUpdateTime = -1;
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public void refresh() {
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||
// Shallow copy
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HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
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||
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
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||
List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
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long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
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for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
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||
if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
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maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
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}
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if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
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newKeywords.remove(searchWord.getKeyword());
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}
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newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
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}
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||
lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
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currentKeywords = newKeywords;
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}
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private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
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||
// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
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||
return null;
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}
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}
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```
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## 重点回顾
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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。
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**1.什么是原型模式？**
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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。
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**2.原型模式的两种实现方法**
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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。
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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，这种情况下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。
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## 课堂讨论
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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？
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1. 在[第7讲](https://time.geekbang.org/column/article/164907)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？
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public class ShoppingCart {
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// ...省略其他代码...
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public List<ShoppingCartItem> getItems() {
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return Collections.unmodifiableList(this.items);
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}
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}
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// Testing Code in main method:
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ShoppingCart cart = new ShoppingCart();
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List<ShoppingCartItem> items = cart.getItems();
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items.clear();//try to modify the list
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// Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationExceptio
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ShoppingCart cart = new ShoppingCart();
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cart.add(new ShoppingCartItem(...));
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List<ShoppingCartItem> items = cart.getItems();
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ShoppingCartItem item = items.get(0);
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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。
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