享元模式
1 享元模式介绍
享元模式 (flyweight pattern) 的原始定义是：摒弃了在每个对象中保存所有数据的方式，通过共享多个对象所共有的相同状态，从而让我们能在有限的内存容量中载入更多对象。
从这个定义中你可以发现，享元模式要解决的核心问题就是节约内存空间，使用的办法是找出相似对象之间的共有特征，然后复用这些特征。所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。
比如: 一个文本字符串中存在很多重复的字符,如果每一个字符都用一个单独的对象来表示,将会占用较多的内存空间,我们可以使用享元模式解决这一类问题.
享元模式通过共享技术实现相同或者相似对象的重用,在逻辑上每一个出现的字符都有一个对象与之对应,然而在物理上他们却是共享同一个享元对象.
2 享元模式原理
享元模式的结构较为复杂,通常会结合工厂模式一起使用,在它的结构图中包含了一个享元工厂类.
享元模式的主要有以下角色：
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抽象享元角色（Flyweight）：通常是一个接口或抽象类，在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法，这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同时也可以通过这些方法来设置外部数据（外部状态）。
享元（Flyweight）模式中存在以下两种状态：
- 内部状态，即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
- 外部状态，指随环境改变而改变的不可以共享的部分。享元模式的实现要领就是区分应用中的这两种状态，并将外部状态外部化。
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可共享的具体享元（Concrete Flyweight）角色 ：它实现了抽象享元类，称为享元对象；在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类，为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。
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非共享的具体享元（Unshared Flyweight)角色 ：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类；当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
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享元工厂（Flyweight Factory）角色 ：负责创建和管理享元角色。当客户对象请求一个享元对象时，享元工厂检査系统中是否存在符合要求的享元对象，如果存在则提供给客户；如果不存在的话，则创建一个新的享元对象。
3 享元模式实现
- 抽象享元类可以是一个接口也可以是一个抽象类,作为所有享元类的公共父类, 主要作用是提高系统的可扩展性.
/**
* 抽象享元类
**/
public abstract class Flyweight {
public abstract void operation(String extrinsicState);
}
- 具体享元类,具体享元类中要将内部状态和外部状态分开处理,内部状态作为具体享元类的成员变量,而外部状态通过注入的方式添加到具体享元类中.
/**
* 可共享-具体享元类
**/
public class ConcreteFlyweight extends Flyweight {
//内部状态 intrinsicState作为成员变量,同一个享元对象的内部状态是一致的
private String intrinsicState;
public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) {
this.intrinsicState = intrinsicState;
}
/**
* 外部状态在使用时由外部设置,不保存在享元对象中,即使是同一个对象
* @param extrinsicState 外部状态,每次调用可以传入不同的外部状态
*/
@Override
public void operation(String extrinsicState) {
//实现业务方法
System.out.println("=== 享元对象内部状态" + intrinsicState +",外部状态:" + extrinsicState);
}
}
- 非共享享元类,不复用享元工厂内部状态,但是是抽象享元类的子类或实现类
/**
* 非共享具体享元类
* @author spikeCong
* @date 2022/10/10
**/
public class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight {
private String intrinsicState;
public UnsharedConcreteFlyweight(String intrinsicState) {
this.intrinsicState = intrinsicState;
}
@Override
public void operation(String extrinsicState) {
System.out.println("=== 使用不共享对象,内部状态: " + intrinsicState +",外部状态: " + extrinsicState);
}
}
- 享元工厂类, 管理一个享元对象类的缓存池。它会存储享元对象之间需要传递的共有状态，比如，按照大写英文字母来作为状态标识，这种只在享元对象之间传递的方式就叫内部状态。同时，它还提供了一个通用方法 getFlyweight()，主要通过内部状态标识来获取享元对象。
/**
* 享元工厂类
* 作用: 作为存储享元对象的享元池.用户获取享元对象时先从享元池获取,有则返回,没有创建新的
* 享元对象返回给用户,并在享元池中保存新增的对象.
**/
public class FlyweightFactory {
//定义一个HashMap用于存储享元对象,实现享元池
private Map<String,Flyweight> pool = new HashMap();
public FlyweightFactory() {
//添加对应的内部状态
pool.put("A",new ConcreteFlyweight("A"));
pool.put("B",new ConcreteFlyweight("B"));
pool.put("C",new ConcreteFlyweight("C"));
}
//根据内部状态来进行查找
public Flyweight getFlyweight(String key){
//对象存在,从享元池直接返回
if(pool.containsKey(key)){
System.out.println("===享元池中存在,直接复用,key:" + key);
return pool.get(key);
}else{
//如果对象不存在,先创建一个新的对象添加到享元池中,然后返回
System.out.println("===享元池中不存在,创建并复用,key:" + key);
Flyweight fw = new ConcreteFlyweight(key);
pool.put(key,fw);
return fw;
}
}
}
4 享元模式应用实例
五子棋中有大量的黑子和白子,它们的形状大小都是一样的,只是出现的位置不同,所以一个棋子作为一个独立的对象存储在内存中,会导致大量的内存的浪费,我们使用享元模式来进行优化.
类图如下
代码如下
/**
* 抽象享元类: 五子棋类
**/
public abstract class GobangFlyweight {
public abstract String getColor();
public void display(){
System.out.println("棋子颜色: " + this.getColor());
}
}
/**
* 共享享元类-白色棋子
**/
public class WhiteGobang extends GobangFlyweight{
@Override
public String getColor() {
return "白色";
}
}
/**
* 共享享元类-黑色棋子
**/
public class BlackGobang extends GobangFlyweight {
@Override
public String getColor() {
return "黑色";
}
}
/**
* 享元工厂类-生产围棋棋子,使用单例模式进行设计
**/
public class GobangFactory {
private static GobangFactory factory = new GobangFactory();
private static Map<String,GobangFlyweight> pool;
//设置共享对象的内部状态,在享元对象中传递
private GobangFactory() {
pool = new HashMap<String,GobangFlyweight>();
GobangFlyweight black = new BlackGobang(); //黑子
GobangFlyweight white = new WhiteGobang(); //白子
pool.put("b",black);
pool.put("w",white);
}
//返回享元工厂类唯一实例
public static final GobangFactory getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
//静态内部类-单例
private static class SingletonHolder{
private static final GobangFactory INSTANCE = new GobangFactory();
}
//通过key获取集合中的享元对象
public GobangFlyweight getGobang(String key){
return pool.get(key);
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//获取享元工厂对象
GobangFactory instance = GobangFactory.getInstance();
//获取3颗黑子
GobangFlyweight b1 = instance.getGobang("b");
GobangFlyweight b2 = instance.getGobang("b");
GobangFlyweight b3 = instance.getGobang("b");
System.out.println("判断两颗黑子是否相同: " + (b1 == b2));
//获取2颗白子
GobangFlyweight w1 = instance.getGobang("w");
GobangFlyweight w2 = instance.getGobang("w");
System.out.println("判断两颗白子是否相同: " + (w1 == w2));
//显示棋子
b1.display();
b2.display();
b3.display();
w1.display();
w2.display();
}
}
三颗黑子(两颗白子)对象比较之后内存地址都是一样的.说明它们是同一个对象.在实现享元模式时使用了单例模式和简单工厂模式,保证了享元工厂对象的唯一性,并提供工厂方法向客户端返回享元对象.
5 享元模式总结
- 享元模式的优点
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极大减少内存中相似或相同对象数量，节约系统资源，提供系统性能
比如，当大量商家的商品图片、固定文字（如商品介绍、商品属性）在不同的网页进行展示时，通常不需要重复创建对象，而是可以使用同一个对象，以避免重复存储而浪费内存空间。由于通过享元模式构建的对象是共享的，所以当程序在运行时不仅不用重复创建，还能减少程序与操作系统的 IO 交互次数，大大提升了读写性能。
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享元模式中的外部状态相对独立，且不影响内部状态
- 享元模式的缺点
- 为了使对象可以共享，需要将享元对象的部分状态外部化，分离内部状态和外部状态，使程序逻辑复杂
- 使用场景
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一个系统有大量相同或者相似的对象，造成内存的大量耗费。
注意: 在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池，而这需要耗费一定的系统资源，因此，应当在需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。
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在 Java 中，享元模式一个常用的场景就是，使用数据类的包装类对象的 valueOf() 方法。比如，使用 Integer.valueOf() 方法时，实际的代码实现中有一个叫 IntegerCache 的静态类，它就是一直缓存了 -127 到 128 范围内的数值，如下代码所示，你可以在 Java JDK 中的 Integer 类的源码中找到这段代码。
public class Test1 { public static void main(String[] args) { Integer i1 = 127; Integer i2 = 127; System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象？" + (i1 == i2)); Integer i3 = 128; Integer i4 = 128; System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4)); } } //传入的值在-128 - 127 之间,直接从缓存中返回 public static Integer valueOf(int i) { if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high) return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)]; return new Integer(i); }可以看到
Integer默认先创建并缓存-128 ~ 127之间数的Integer对象，当调用valueOf时如果参数在-128 ~ 127之间则计算下标并从缓存中返回，否则创建一个新的Integer对象。其实享元模式本质上就是找到对象的不可变特征，并缓存起来，当类似对象使用时从缓存中读取，以达到节省内存空间的目的。