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结构型享元模式

gavin-james设计模式设计模式大约 11 分钟

享元模式基本介绍

在面向对象程序设计过程中，有时会面临要创建大量相同或相似对象实例的问题。创建那么多的对象将会耗费很多的系统资源，它是系统性能提高的一个瓶颈。

例如，围棋和五子棋中的黑白棋子，图像中的坐标点或颜色，局域网中的路由器、交换机和集线器，教室里的桌子和凳子等。这些对象有很多相似的地方，如果能把它们相同的部分提取出来共享，则能节省大量的系统资源，这就是享元模式的产生背景。

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。

主要优点

相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。

主要缺点

  • 为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。
  • 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长

享元模式的结构与实现

内部状态和外部状态

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。

享元模式的定义提出了两个要求，细粒度和共享对象。因为要求细粒度，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些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，存储在享元信息内部，并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，随环境的改变而改变，不可共享
    比如，连接池中的连接对象，保存在连接对象中的用户名、密码、连接 URL 等信息，在创建对象的时候就设置好了，不会随环境的改变而改变，这些为内部状态。而当每个连接要被回收利用时，我们需要将它标记为可用状态，这些为外部状态

举个例子：围棋理论上有 361 个空位可以放棋子，每盘棋都有可能有两三百个棋子对象产生，因为内存空间有限，一台服务器很难支持更多的玩家玩围棋游戏，如果用享元模式来处理棋子，那么棋子对象就可以减少到只有两个实例，这样就很好的解决了对象的开销问题。

享元模式的本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

模式的结构

享元模式的主要角色有如下：

  • 抽象享元角色（Flyweight）：是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入
  • 具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口
  • 非享元（Unsharable Flyweight)角色：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中
  • 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
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下面享元模式的结构图，其中：

  • UnsharedConcreteFlyweight 是非享元角色，里面包含了非共享的外部状态信息 info
  • Flyweight 是抽象享元角色，里面包含了享元方法 operation(UnsharedConcreteFlyweight state)，非享元的外部状态以参数的形式通过该方法传入
  • ConcreteFlyweight 是具体享元角色，包含了关键字 key，它实现了抽象享元接口
  • FlyweightFactory 是享元工厂角色，它是关键字 key 来管理具体享元
  • 客户角色通过享元工厂获取具体享元，并访问具体享元的相关方法
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代码实现：

// 抽象享元角色
interface Flyweight {
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight state);
}
// 具体享元角色
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String key;
    ConcreteFlyweight(String key) {
        this.key = key;
        System.out.println("具体享元" + key + "被创建！");
    }
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight outState) {
        System.out.print("具体享元" + key + "被调用，");
        System.out.println("非享元信息是:" + outState.getInfo());
    }
}
// 非享元角色
class UnsharedConcreteFlyweight {
    private String info;
    UnsharedConcreteFlyweight(String info) {
        this.info = info;
    }
    public String getInfo() {
        return info;
    }
    public void setInfo(String info) {
        this.info = info;
    }
}
// 享元工厂角色
class FlyweightFactory {
    private HashMap<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<String, Flyweight>();
    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        Flyweight flyweight = (Flyweight) flyweights.get(key);
        if (flyweight != null) {
            System.out.println("具体享元" + key + "已经存在，被成功获取！");
        } else {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(key);
            flyweights.put(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}
public class FlyweightPattern {
    public static void main(String[] args) {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
        Flyweight f01 = factory.getFlyweight("a"); // 初始 a 不存在，则创建 a
        Flyweight f02 = factory.getFlyweight("a"); // 获取第一次创建的 a
        Flyweight f03 = factory.getFlyweight("a"); // 获取第一次创建的 a
        Flyweight f11 = factory.getFlyweight("b"); // 初始 b 不存在，则创建 b
        Flyweight f12 = factory.getFlyweight("b"); // 获取第一次创建的 b
        f01.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用a。"));
        f02.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用a。"));
        f03.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第3次调用a。"));
        f11.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用b。"));
        f12.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用b。"));
    }
}

展示网站项目需求

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：

  • 有客户要求以新闻的形式发布
  • 有客户人要求以博客的形式发布
  • 有客户希望以微信公众号的形式发布

传统方案解决网站展现项目

给每个网站租用一个空间。

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问题分析

需要的网站结构相似度很高，而且都不是高访问量网站，如果分成多个虚拟空间来处理，相当于一个相同网站的实例对象很多，造成服务器的资源浪费。

解决思路：整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，对于硬盘、内存、CPU、数据库空间等服务器资源 都可以达成共享，减少服务器资源。

对于代码来说，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易。

上面的解决思路就可以使用 享元模式。

享元模式解决网站展现项目

类图：

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代码实现：

User 类：

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;
	}
}

网站类和其子类

public abstract class WebSite {
	public abstract void use(User user); // 抽象方法
}

// 具体网站
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) {
		System.out.println("网站的发布形式为:" + type + " 在使用中 .. 使用者是" + user.getName());
	}
}

网站工厂类：

// 网站工厂类，根据需要返回压一个网站
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();
    }
}

测试类：

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());
    }
}

JDK-Integer 的享元模式剖析

JDK 中 Integer 使用到了享元模式。

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代码说明：

public class FlyWeight {
    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，因为超出f
    }
}

享元模式的注意事项和细节

  • 在享元模式这样理解，「享」就表示共享，「元」表示对象
  • 系统中有大量对象，这些对象消耗大量内存，并且对象的状态大部分可以外部化时，我们就可以考虑选用享元模式
  • 用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象，用 HashMap/HashTable 存储
  • 享元模式大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率
  • 享元模式提高了系统的复杂度。需要分离出内部状态和外部状态，而外部状态具有固化特性，不应该随着内部状态的改变而改变，这是我们使用享元模式需要注意的地方
  • 使用享元模式时，注意划分内部状态和外部状态，并且需要有一个工厂类加以控制
  • 享元模式经典的应用场景是需要缓冲池的场景，比如 String 常量池、数据库连接池

享元模式的应用场景

当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多出需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，降低大量内存空间的消耗。

享元模式其实是 工厂方法模式open in new window 的一个改进机制，享元模式同样要求创建一个或一组对象，并且就是通过工厂方法模式生成对象的，只不过享元模式为工厂方法模式增加了缓存这一功能。

前面分析了享元模式的结构与特点，下面分析它适用的应用场景。享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式：

  1. 系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源
  2. 大部分的对象可以按照内部状态进行分组，且可将不同部分外部化，这样每一个组只需保存一个内部状态
  3. 由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式
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