设计模式之享元模式

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，用于减少系统中对象的数量，从而节省内存和提升性能。它通过共享相同的对象来避免重复创建类似的对象。该模式尤其适用于对象数量庞大、且重复内容较多的场景。

核心思想：将对象的状态划分为内蕴状态（Intrinsic State）和外蕴状态（Extrinsic State），内蕴状态是可以共享的部分，而外蕴状态则由客户端管理并在需要时动态传递。

一、享元模式的特点

状态拆分：
- 内蕴状态：对象中可以共享的不变部分，由享元对象内部存储。
- 外蕴状态：对象中可变的部分，不存储在享元对象中，由客户端动态提供。
对象共享：
系统只会为每种内蕴状态创建一个享元对象，并在不同上下文中重复使用这些对象。
性能优化：
通过共享对象，减少内存开销，提升系统性能。

二、享元模式的结构

享元模式主要包含以下角色：

抽象享元（Flyweight）：
定义享元对象的公共接口，外部通过该接口与具体享元对象交互。
具体享元（ConcreteFlyweight）：
实现抽象享元接口，并存储内蕴状态。具体享元对象需要支持可以共享的功能。
非共享具体享元（UnsharedConcreteFlyweight）：
并非所有的享元对象都需要共享，这些对象不能被多个客户端共享，但也实现了享元接口。
享元工厂（FlyweightFactory）：
管理享元对象的创建和共享，确保客户端获取的享元对象是唯一的，避免重复创建。
客户端（Client）：
负责维护外蕴状态，并与享元对象交互。

三、享元模式的工作原理

客户端通过享元工厂获取享元对象。
如果享元对象已存在，工厂返回共享对象；如果不存在，则工厂创建新的享元对象。
客户端将外蕴状态传递给享元对象，享元对象结合其内蕴状态执行操作。

四、享元模式的实现

下面通过一个实例展示享元模式的实现。

示例：棋盘上的棋子

在一个棋盘游戏中，棋子的位置是变化的（外蕴状态），而棋子的颜色（黑/白）是固定的（内蕴状态）。我们可以使用享元模式来优化棋子的管理。

抽象享元类

public interface ChessPiece {
    void display(int x, int y);
}

具体享元类

public class ConcreteChessPiece implements ChessPiece{

    private String color;
    public ConcreteChessPiece(String color){
        this.color = color;
    }
    @Override
    public void display(int x,int y) {
        System.out.println("棋子颜色" + color + ",棋子位置：(" + x + "," + y + ")" );
    }
}

享元工厂

public class ChessPieceFactory {
    private static Map<String,ChessPiece> map = new HashMap<>();

       public static ChessPiece getChessPiece(String color) {
        if (!map.containsKey(color)) {
            map.put(color, new ConcreteChessPiece(color));
        }
        return map.get(color);
    }
}

客户端

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取共享的棋子
        ChessPiece black1 = ChessPieceFactory.getChessPiece("黑色");
        ChessPiece black2 = ChessPieceFactory.getChessPiece("黑色");
        ChessPiece white1 = ChessPieceFactory.getChessPiece("白色");

        // 设置外蕴状态（棋子的位置）
        black1.display(1, 1);
        black2.display(2, 3);
        white1.display(4, 5);

        // 验证共享对象
        System.out.println("黑色棋子是否相同: " + (black1 == black2));
    }
}

运行结果

五、享元模式的优缺点

优点：

减少内存占用：
通过共享对象，避免了重复的对象实例，大幅度降低系统的内存开销。
提升性能：
减少对象创建的次数和垃圾回收的频率，提升系统性能。
适用于大量小对象：
享元模式尤其适合那些数量多、内容重复的对象。

缺点：

实现复杂：
需要对对象的状态进行拆分，并精心设计共享机制，增加了系统的复杂度。
不适用所有场景：
如果共享对象的数量过少，或者内蕴状态和外蕴状态之间的界限不清晰，享元模式的优势难以体现。
增加了客户端的职责：
客户端需要管理外蕴状态，这可能导致客户端代码的复杂度提高。

六、享元模式的应用场景

享元模式适用于以下场景：

大量相似对象：
系统中存在大量内容重复的对象，且这些对象的部分状态是可以共享的。
内存优化需求强：
内存占用是系统性能的瓶颈，迫切需要通过共享对象来节省内存。
不变性场景：
对象的共享部分是不可变的，这样才能安全地在不同上下文中共享。

常见案例：

文本处理：在文本编辑器中，每个字符的字体、颜色等属性可以共享，具体的位置由外部管理。
图形界面：在绘图程序中，重复的图形对象（如线条、圆形）可以共享。
游戏开发：在大型游戏中，地图上的树木、建筑等对象可以共享。
数据库连接池：共享连接对象，避免重复创建连接。

七、享元模式的拓展

非共享享元：
并非所有对象都适合共享。如果某些对象需要独占使用，则可以通过非共享享元类实现。
复合享元模式：
组合模式和享元模式结合使用，可以将享元对象组成一个树形结构，从而支持更复杂的共享场景。
线程安全性：
享元对象通常是不可变的，这样可以在多线程环境中安全共享。

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