设计模式之享元模式

墨蓝 2022-03-27 06:28 217阅读 0赞

# 模式定义 #

享元模式（Flyweight Pattern） 也叫蝇量模式: 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象

常用于系统底层开发，解决系统的性能问题。像数据库连接池，里面都是创建好的连接对象，在这些连接对象中有我们需要的则直接拿来用，避免重新创建，如果没有我们需要的，则创建一个

享元模式能够解决重复对象的内存浪费的问题，当系统中有大量相似对象，需要缓冲池时。不需总是创建新对象，可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率

享元模式经典的应用场景就是池技术了，String 常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，享元模式是池技术的重要实现方式

享元模式提出了两个要求：细粒度和共享对象。这里就涉及到内部状态和外部状态了，即将对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态

内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部且不会随环境的改变而改变  
外部状态指对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。

比如围棋、五子棋、跳棋，它们都有大量的棋子对象，围棋和五子棋只有黑白两色，跳棋颜色多一点，所以棋子颜色就是棋子的内部状态；而各个棋子之间的差别就是位置的不同，当我们落子后，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以棋子坐标就是棋子的外部状态

由于享元模式区分了内部状态和外部状态，所以我们可以通过设置不同的外部状态使得相同的对象可以具备一些不同的特性，而内部状态设置为相同部分。在我们的程序设计过程中，我们可能会需要大量的细粒度对象来表示对象，如果这些对象除了几个参数不同外其他部分都相同，这个时候我们就可以利用享元模式来大大减少应用程序当中的对象。如何利用享元模式呢？这里我们只需要将他们少部分的不同的部分当做参数移动到类实例的外部去，然后再方法调用的时候将他们传递过来就可以了。这里也就说明了一点：内部状态存储于享元对象内部，而外部状态则应该由客户端来考虑。

#  模式结构 #

下图是享元模式的UML结构图

![享元模式结构图][20161113170825679]

享元模式存在如下几个角色：

Flyweight: 抽象享元类。所有具体享元类的超类或者接口，通过这个接口，Flyweight可以接受并作用于外部专题

ConcreteFlyweight: 具体享元类。指定内部状态，为内部状态增加存储空间。

FlyweightFactory: 享元工厂类。用来创建并管理Flyweight对象，它主要用来确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory就会提供一个已经创建的Flyweight对象或者新建一个（如果不存在）。

享元模式的核心在于享元工厂类，享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池，用户需要对象时，首先从享元池中获取，如果享元池中不存在，则创建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。

举例有一个小型的外包项目，给客户A 做一个产品展示网站，客户A 的朋友感觉效果不错，也希望做这样的产品展示网站，但是要求都有些不同：  
1) 有客户要求以新闻的形式发布  
2) 有客户人要求以博客的形式发布  
3) 有客户希望以微信公众号的形式发布

思路分析和图解(类图)

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDUwMDg5_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

因为客户的需求不一样，所以website作为抽象享元类，ConcreteWebSite作为具体享元类，

WebSiteFactory是享元工厂类，

package com.dongguo.flyweight;
    
    /**
     * @author Dongguo
     * @date 2021/8/22 0022-16:50
     * @description:
     */
    public class User {
        private String name;
        public User(String name) {
            super();
            this.name = name;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    }

package com.dongguo.flyweight;
    
    /**
     * @author Dongguo
     * @date 2021/8/22 0022-16:50
     * @description:
     */
    public abstract class WebSite {
        public abstract void use(User user);//抽象方法
    }

package com.dongguo.flyweight;
    
    /**
     * @author Dongguo
     * @date 2021/8/22 0022-16:49
     * @description:
     */
    public class ConcreteWebSite extends WebSite {
        //共享的部分，内部状态
        private String type = ""; //网站发布的形式(类型)
        //构造器
        public ConcreteWebSite(String type) {
            this.type = type;
        }
        @Override
        public void use(User user) {
    // TODO Auto-generated method stub
            System.out.println("网站的发布形式为:" + type + " 在使用中.. 使用者是" + user.getName());
        }
    }

package com.dongguo.flyweight;
    
    import java.util.HashMap;
    
    /**
     * @author Dongguo
     * @date 2021/8/22 0022-16:50
     * @description:
     */
    public class WebSiteFactory {
        //集合， 充当池的作用
        private HashMap<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();
        //根据网站的类型，返回一个网站, 如果没有就创建一个网站，并放入到池中,并返回
        public WebSite getWebSiteCategory(String type) {
            if(!pool.containsKey(type)) {
    //就创建一个网站，并放入到池中
                pool.put(type, new ConcreteWebSite(type));
            }
            return (WebSite)pool.get(type);
        }
        //获取网站分类的总数(池中有多少个网站类型)
        public int getWebSiteCount() {
            return pool.size();
        }
    }

package com.dongguo.flyweight;
    
    /**
     * @author Dongguo
     * @date 2021/8/22 0022-16:49
     * @description:
     */
    public class Client {
        public static void main(String[] args) {
    // 创建一个工厂类
            WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();
    // 客户要一个以新闻形式发布的网站
            WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");
            webSite1.use(new User("tom"));
    // 客户要一个以博客形式发布的网站
            WebSite webSite2 = factory.getWebSiteCategory("博客");
            webSite2.use(new User("jack"));
    // 客户要一个以博客形式发布的网站
            WebSite webSite3 = factory.getWebSiteCategory("博客");
            webSite3.use(new User("smith"));
    // 客户要一个以博客形式发布的网站
            WebSite webSite4 = factory.getWebSiteCategory("博客");
            webSite4.use(new User("king"));
            System.out.println("网站的分类共=" + factory.getWebSiteCount());
        }
    }
    运行结果：
    网站的发布形式为:新闻 在使用中.. 使用者是tom
    网站的发布形式为:博客 在使用中.. 使用者是jack
    网站的发布形式为:博客 在使用中.. 使用者是smith
    网站的发布形式为:博客 在使用中.. 使用者是king
    网站的分类共=2

# 享元模式在JDK-Interger 的应用源码分析 #

在JDK中 Boolean，Byte，Short，Integer，Long，Character 等包装类提供了 valueOf 方法，例如 Long 的  
valueOf 会缓存 -128~127 之间的 Integer对象，在这个范围之间会重用对象，大于这个范围，才会新建 Integer对象：

package com.dongguo.flyweight;
    
    /**
     * @author Dongguo
     * @date 2021/8/22 0022-16:55
     * @description:
     */
    public class FlyWeightDemo {
        public static void main(String[] args) {
            //如果Integer.valueOf(x) x 在-128 --- 127 直接，就是使用享元模式返回,如果不在
            //范围类，则仍然new
            //小结:
            //1. 在valueOf 方法中，先判断值是否在IntegerCache 中，如果不在，就创建新的Integer(new), 否则，就
            //        直接从缓存池返回
            //2. valueOf 方法，就使用到享元模式
            //3. 如果使用valueOf 方法得到一个Integer 实例，范围在-128 - 127 ，执行速度比new 快
            Integer x = Integer.valueOf(127); // 得到x 实例，类型Integer
            Integer y = new Integer(127); // 得到y 实例，类型Integer
            Integer z = Integer.valueOf(127);//..
            Integer w = new Integer(127);
            System.out.println(x.equals(y)); // 大小，true
            System.out.println(x == y ); // false
            System.out.println(x == z ); // true
            System.out.println(w == x ); // false
            System.out.println(w == y ); // false
            Integer x1 = Integer.valueOf(200);
            Integer x2 = Integer.valueOf(200);
            System.out.println("x1==x2" + (x1 == x2)); // false
        }
    }
    运行结果：
    true
    false
    true
    false
    false
    x1==x2false

Integer 中的享元模式

private static class IntegerCache {
            static final int low = -128;
            static final int high;
            static final Integer cache[];
    
            static {
                // high value may be configured by property
                int h = 127;
                String integerCacheHighPropValue =
                    sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
                if (integerCacheHighPropValue != null) {
                    try {
                        int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                        i = Math.max(i, 127);
                        // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                        h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                    } catch( NumberFormatException nfe) {
                        // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                    }
                }
                high = h;
    
                cache = new Integer[(high - low) + 1];
                int j = low;
                for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                    cache[k] = new Integer(j++);
    
                // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
                assert IntegerCache.high >= 127;
            }
    
            private IntegerCache() {}
        }
    
    ...
       public static Integer valueOf(int i) {
            if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
                return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
            return new Integer(i);
        }
    
    
    ...

Integer.valueOf()

当i大于等于-128并且小于等于127,直接返回缓冲池中的值

否则创建Integer。

注意：  
Byte, Short, Long 缓存的范围都是 -128~127  
Character 缓存的范围是 0~127  
Integer的默认范围是 -128~127  
最小值不能变  
但最大值可以通过调整虚拟机参数 \`-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high\` 来改变  
Boolean 缓存了 TRUE 和 FALSE

# 优点 #

1、享元模式的优点在于它能够极大的减少系统中对象的个数。

2、享元模式由于使用了外部状态，外部状态相对独立，不会影响到内部状态，所以享元模式使得享元对象能够在不同的环境被共享。

#  缺点 #

1、由于享元模式需要区分外部状态和内部状态，使得应用程序在某种程度上来说更加复杂化了。

2、为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间变长。

#  模式适用场景 #

1、如果一个系统中存在大量的相同或者相似的对象，由于这类对象的大量使用，会造成系统内存的耗费，可以使用享元模式来减少系统中对象的数量。

2、对象的大部分状态都可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中。

# 模式总结 #

1、享元模式可以极大地减少系统中对象的数量。但是它可能会引起系统的逻辑更加复杂化。

2、享元模式的核心在于享元工厂，它主要用来确保合理地共享享元对象。

3、内部状态为不变共享部分，存储于享元享元对象内部，而外部状态是可变部分，它应当由客户端来负责。

[20161113170825679]: /images/20220327/8096bd8a2ba348558b7f8aa2e71a3ce3.png
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