【设计模式】结构型模式—享元模式(Flyweight Pattern)（十二）

r囧r小猫 2022-08-31 00:49 152阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  前言
 *  一.享元模式
 *  二.享元模式适用场景
 *  三.享元模式角色
 *  四.享元模式的实现方式
 *   *  1.单纯享元模式
     *   *  Flyweight(抽象享元角色)
         *  ConcreteFlyweight(具体享元角色)
         *  UnsharedConcreteFlyweigh( 非共享的享元角色)
         *  FlyweightFactory(享元工厂角色)
         *  调用端
     *  2.复合享元模式
     *   *  Flyweight(抽象享元角色)
         *  ConcreteFlyweight(具体享元角色)
         *  UnsharedConcreteFlyweigh( 复合享元角色)
         *  FlyweightFactory(享元工厂角色)
         *  调用端
 *  五.总结
 *   *  1.注意事项
     *  2.享元模式的优缺点
     *  3.享元模式在Java中的应用

# 前言 #

建议先看这篇文章[【设计模式】软件设计7大原则以及23种设计模式初识（一）][7_23]

# 一.享元模式 #

**享元模式（Flyweight Pattern）是 "资源池技术"实现方式，主要用于`减少创建对象的数量`，以减少内存占用和提高性能。**

*  **模式动机**：在创建大量对象时，有可能会造成内存溢出，享元模式把其中共同的部分抽象出来，保存在内存中，如果有相同的业务请求，直接返回在内存中已有的对象，避免重新创建。
 *  解决思路：复用对象最简单的方式是，用一个 HashMap 来存放每次新生成的对象。每次需要一个对象的时候，先到 HashMap 中看看有没有，如果没有，再生成新的对象，然后将这个对象放入 HashMap 中。
 *  享元模式通常需要和其他模式一起联用，几种常见的联用方式如下：
    
     *  享元模式的享元工厂类中通常`提供一个静态的工厂方法`用于返回享元对象，使`用简单工厂模式`来生成享元对象
     *  在一个系统中，`通常只有唯一一个享元工厂`，因此可以使用`单例模式`进行享元工厂类的设计。
     *  享元模式可以`结合组合模式形成复合享元模式`，统一对多个享元对象设置外部状态。

# 二.享元模式适用场景 #

1.  `有大量相同或者相似的对象`，造成内存的大量耗费
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。
3.  需要缓冲池的场景
    
    > 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

# 三.享元模式角色 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

*  **Flyweight(抽象享元角色)** : `享元对象的抽象基类或者接口`，声明所有具体享元角色需要实现的方法，这些方法可以`向外界提供对象的内部状态，设置外部状态`。
    
    >  *  **内部状态（intrinsic）**：是`享元对象可共享的属性`，存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变。
    >  *  **外部状态（extrinsic）**：是`对象得以依赖的一个标记`，是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。
 *  **ConcreteFlyweight( 具体享元角色)**: `Flyweight的具体实现`，实现抽象角色定义的方法。 为内部状态提供成员变量进行存储
 *  **UnsharedConcreteFlyweigh( 非共享的享元角色)**： `不能被共享的子类`可以设计为非共享享元类
 *  **FlyweightFactory(享元工厂角色)**： `负责管理享元对象池和创建享元对象`，就是`构造一个池容器，同时提供从池中获得对象的方法`,
    
    >  *  当请求获取一个享元对象时，享元工厂判断是否存在该享元对象，如果存在则返回；如果不存在的话，则创建一个新的享元对象，保存到池容器中，然后返回给请求者。
    >  *  `享元池一般设计成键值对`。
    >  *  `享元模式一般都是和工厂模式一起出现`

**享元模式状态**

> 享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态和外部状态。

**案例：每个围棋棋子都是一个享元对象，**

*  有如下属性：

> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# 四.享元模式的实现方式 #

享元模式可以分成单纯享元模式和复合享元模式两种形式

*  单纯享元模式：**所有的具体享元类都是可以共享的，不存在非共享具体享元类**

> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

*  复合享元模式：**将一些`单纯享元对象`使用`组合模式加以组合`，还可以形成复合享元对象，这样的`复合享元对象本身不能共享，但是可以分解成单纯享元对象，而后者则可以共享`。**

> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
> 通过复合享元模式，可以确保复合享元类CompositeConcreteFlyweight中所包含的每个单纯享元类ConcreteFlyweight都具有相同的外部状态，而这些单纯享元的内部状态往往可以不同。`如果希望为多个内部状态不同的享元对象设置相同的外部状态，可以考虑使用复合享元模式`。

## 1.单纯享元模式 ##

### Flyweight(抽象享元角色) ###

/** * 抽象享元类 */
    public interface ChessFlyWeight { 
    	//设置颜色
    	void setColor(String c);
    	//获取颜色
    	String getColor();
    	//展示棋子信息
    	void show(Coordinate c);
    }

### ConcreteFlyweight(具体享元角色) ###

/** *具体享元类-棋子 * */
    class ConcreteChess implements ChessFlyWeight { 
    
    	private String color;//外部状态
    
    	public ConcreteChess(String color) { 
    		super();
    		this.color = color;
    	}
    
    	@Override
    	public void show(Coordinate c) { 
    		System.out.println("棋子颜色："+color);
    		System.out.println("棋子位置："+c.getX()+"----"+c.getY());
    	}
    
    	@Override
    	public String getColor() { 
    		return color;
    	}
    
    	@Override
    	public void setColor(String c) { 
    		this.color = c;
    	}
    }

### UnsharedConcreteFlyweigh( 非共享的享元角色) ###

/** * 外部状态 */
    public class Coordinate { 
    	private int x,y;
    
    	public Coordinate(int x, int y) { 
    		super();
    		this.x = x;
    		this.y = y;
    	}
    
    	public int getX() { 
    		return x;
    	}
    
    	public void setX(int x) { 
    		this.x = x;
    	}
    
    	public int getY() { 
    		return y;
    	}
    
    	public void setY(int y) { 
    		this.y = y;
    	}
    }

### FlyweightFactory(享元工厂角色) ###

**`工厂类`用于对`享元对象`进行管理和扩展，尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，再创建新对象**。

/** *享元工厂类-创建棋子 */
    public class ChessFlyWeightFactory { 
    	//享元池 根据颜色保存不同的棋子对象
    	private static Map<String,ChessFlyWeight> map = new HashMap<String, ChessFlyWeight>();
    
    	public static ChessFlyWeight  getChess(String color){ 
    		// 如果已经存在该颜色的棋子返回
    		if(map.get(color)!=null){ 
    			return map.get(color);
    		}
    			// 如果享元池中没有该颜色的棋子就创建一个新的返回 并存储在享元池中
    		ChessFlyWeight cfw = new ConcreteChess(color);
    		map.put(color, cfw);
    		return cfw;
    	}
    }

### 调用端 ###

public class Client { 
        public static void main(String[] args) { 
        	//获取黑色棋子
            ChessFlyWeight chess1 = ChessFlyWeightFactory.getChess("黑色");
    		//再次获取黑色棋子
            ChessFlyWeight chess2 = ChessFlyWeightFactory.getChess("黑色");
    		//获取白色色棋子
            ChessFlyWeight chess3 = ChessFlyWeightFactory.getChess("白色");
    
            System.out.println("获取黑色棋子:"+chess1);
            System.out.println("再次获取黑色棋子:"+chess2);
            System.out.println("获取白色色棋子"+chess3);
    
            System.out.println("===========增加外部状态的处理===========");
            chess1.show(new Coordinate(10, 10));
            chess2.show(new Coordinate(20, 20));
        }
    }

测试结果  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 2.复合享元模式 ##

### Flyweight(抽象享元角色) ###

/** * 抽象享元类 */
    public interface Flyweight{ 
        void operation(String extrinsicState);
    }

### ConcreteFlyweight(具体享元角色) ###

/** * 具体享元 */
    public class ConcreteFlyweight implements Flyweight{ 
        private Character intrinsicState;
    
        public ConcreteFlyweight(Character intrinsicState){ 
            this.intrinsicState = intrinsicState;
        }
    
        /** * 外部状态改变方法行为，但不会改变内部状态 */
        @Override
        public void operation(String extrinsicState){ 
            String str = "intrinsic:" + intrinsicState;
            str += " extrinsic:" + extrinsicState;
            System.out.println(str);
        }
    }

### UnsharedConcreteFlyweigh( 复合享元角色) ###

*  **复合享元是不能共享的，所以叫`UnsharableFlyweight`。但是复合享元是可`以分解为可共享的单纯享元`。**

/** * 复合享元 */
    class UnsharableFlyweight implements Flyweight { 
        private Map<Character, Flyweight> map;
    
        public UnsharableFlyweight() { 
            map = new HashMap<Character, Flyweight>();
        }
    
        public void add(Character c, Flyweight fly) { 
            map.put(c, fly);
        }
    
        @Override
        public void operation(String extrinsicState) { 
            Iterator<Map.Entry<Character, Flyweight>> it = map.entrySet().iterator();
            while (it.hasNext()) { 
                Map.Entry<Character, Flyweight> entry = it.next();
                Flyweight fly = entry.getValue();
                fly.operation(extrinsicState);
            }
        }
    }

### FlyweightFactory(享元工厂角色) ###

**`工厂类`用于对`享元对象`进行管理和扩展，尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，再创建新对象**。

/** * 复合享元工厂 */
    public class FlyweightFactory { 
        private Map<Character, Flyweight> map;
    
        public FlyweightFactory() { 
            map = new HashMap<Character, Flyweight>();
        }
    
        /** * 单纯享元工厂 */
        public Flyweight factory(Character state) { 
            Flyweight flyweight = null;
    
            if (map.containsKey(state)) { 
                flyweight = map.get(state);
            }
            else { 
                flyweight = new ConcreteFlyweight(state);
                map.put(state, flyweight);
            }
    
            return flyweight;
        }
    
        /** * 复合享元工厂 * 此处Character的复合类型恰好是String， * 当无此巧合时，可使用List等聚集类型传入. */
        public Flyweight factory(String compositeState) { 
            UnsharableFlyweight composite = new UnsharableFlyweight();
    
            for (int i = 0; i < compositeState.length(); i++) { 
                Character c = compositeState.charAt(i);
                composite.add(c, this.factory(c));
            }
    
            return composite;
        }
    
        /** * 辅助方法 */
        public void checkFlyweight() { 
            Iterator<Map.Entry<Character, Flyweight>> it = map.entrySet().iterator();
            System.out.println("check flyweight:");
            while (it.hasNext()) { 
                Map.Entry<Character, Flyweight> entry = it.next();
                Character key = entry.getKey();
                System.out.println("key:" + key);
            }
        }
    }

### 调用端 ###

public class Client{ 
        public static void main(String[] args){ 
            FlyweightFactory f = new FlyweightFactory();
    
            Flyweight fly = f.factory("aba");
            fly.operation("ex");
    
            f.checkFlyweight();
        }
    }

测试结果  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

# 五.总结 #

## 1.注意事项 ##

1.  多线程场景又会带来`线程安全`的问题，该如何设计需要依靠经验权衡。
2.  `外部状态（通常就是 HashMap 的键）尽量使用基本数据类型`。如果使用`对象类型作为外部状态`，必须`重写 equals 方法和 hashCode 方法`。

## 2.享元模式的优缺点 ##

**优点：**

*  极大`减少内存中对象的数量`，相同或相似对象内存中只存一份，降低程序内存的占用，增强程序的性能。
 *  外部状态相对独立，不影响内部状态

**缺点：**

*  提高了系统复杂性，需要分离出外部状态和内部状态，而且外部状态不应该随内部状态改变而改变，否则导致系统的逻辑混乱。
 *  为了节省内存，共享了内部状态，分离出外部状态，而读取外部状态使运行时间变长。用时间换取了空间。

## 3.享元模式在Java中的应用 ##

1.  **字符串常量池**：字符串当第一次使用之后，就会存在于常量池内，下次使用时可以直接从常量池内取出，不需要重复创建。
2.  **所有基本类型的包装类**：如: Integer中也使用到了享元模式。

> 来看看valueOf的源码：  
> ![在这里插入图片描述][3493520a0ca045c6a5a78601d820fe49.png]  
> 这里用到了享元模式，首先会去缓存里面取，但是我们看到取缓存时候有个条件，那就是`数字必须在low和high之间`：![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
> 可以看到`low是-128，high默认是127`，Interger在第一次加载时会初始化-128-127之前对象
> 
>  *  为什么限定-128~127之间才缓存因为`这个区间的数字是最常用的`。其他的基本类型的包装类型也使用了享元模式，在这里就不继续举例了。

1.  **数据库连接池**。
2.  **线程池**

[7_23]: https://blog.csdn.net/qq877728715/article/details/104432024
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/acc0c4945a85458ea98db868ecbdeab6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20220829/fc95a207bf8a4c03b6add2fd325510a9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220829/e3b054362c974fa1a03f5c900876c132.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220829/22648ac9e6e045a78a72b337183e859d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220829/e266f8314ace4ae8aa9414592d0d3ad2.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220829/1a8fdd6b024244d0ab7a9089fa24e1e7.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220829/3868ce5716da4b6cbd21ac3ca0598b53.png
[3493520a0ca045c6a5a78601d820fe49.png]: /images/20220829/b880f81566e749678250487f7c13367a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20220829/bc48f35e5c2c4fad9135c27370d868df.png