一、介绍
1.1 简介：介绍 Java 享元模式的概念和作用。
Java 享元模式是一种设计模式，它使用共享对象来有效地支持大量细粒度的对象。在这种模式中，大量的细粒度对象被组合成少量的较大的对象，以减少系统中的内存占用和提高性能。
这种模式通常在需要创建大量对象的情况下使用，例如图形用户界面(GUI)元素或游戏中的对象。这些对象可以被共享并在需要时被重用，而不是每次需要时都创建新对象。这大大减少了内存占用和创建新对象的时间，使系统更加高效。
在 Java 享元模式中，共享对象由两个部分组成：内部状态和外部状态。内部状态包含共享对象的属性和行为，可以共享并重用。外部状态则因应用程序而异，并在创建对象时传递给共享对象。这样，每个对象的内部状态相同，但外部状态不同，使得它们可以被共享和重用。
Java 享元模式主要有以下的作用：
- 降低内存占用：通过将对象的共享部分提取出来，可以显著减少内存占用。
- 提高性能：通过重用对象，可以避免创建新对象时的开销，从而提高系统性能。
- 可以解决一些性能瓶颈问题：常常用于缓存系统中，例如网络请求返回的数据缓存、数据库查询结果缓存等。
1.2 享元模式优势：
- 减少内存占用：由于享元模式会共享相同的对象，因此系统的内存占用量得到大幅度的减少。这点对于需要创建大量对象的系统来说非常重要。
- 提高性能：由于共享相同的对象，系统的性能也得到了提高。不仅减少了内存占用，同时还减少了创建对象时的开销，从而大大提高了系统的性能。
- 增强系统可维护性：通过把对象的状态分为内部状态和外部状态，使得同一个对象可以被多处引用，对于系统的维护来说更加方便。
- 隐藏复杂性：享元模式可以把对象的复杂性和实现细节封装起来，从而使得客户端代码更加简单化。
- 提高系统的可扩展性：由于共享相同的对象，系统的依赖关系也减少了，从而使得系统更容易扩展，更容易进行重构和维护。
二、模式解析
2.1 模式定义：介绍 Java 享元模式的定义。
Java享元模式是一种结构型设计模式，它可以通过共享尽可能多的数据来减少对象的数量，从而降低内存占用和系统性能的开销。
在该模式中，共享对象被称为“享元”，它们通常包含不可变的状态和行为。享元是在运行时通过工厂对象创建的，每个对象都有一个唯一的标识符用于标识它们。
Java享元模式的主要思想是将一些通用的对象共享，例如线程池、连接池等，这些对象通常会被频繁地创建和销毁，使用享元模式可以大大提高系统的性能和效率。
Java中的享元模式提供了一个简洁的方法来管理对象共享，它通过缓存已存在的对象来避免重复创建相同的对象。这种模式适用于需要创建大量相同或相似的对象的场景，并且可以减少内存占用并提高系统的性能和效率。
2.2 模式类型：介绍 Java 享元模式的两种类型：内部状态和外部状态
- 内部状态享元模式： 内部状态是指在享元对象内部的状态，这些状态对象可以被多个具有相同内部状态的外部对象共享。 在该模式下，享元对象内部的状态对于不同的客户端是不变的。以棋盘游戏为例，所有具有相同棋子颜色、形状和大小的棋子都可以共享一个具有相同内部状态的享元对象，从而减少了棋子对象的数量。
- 外部状态享元模式： 外部状态是指在享元对象外部，不同的客户端可以在运行时根据需要改变的状态。在该模式下，享元对象不仅仅包含内部状态，还包含外部状态。在使用享元对象之前，客户端需要将外部状态传递给享元对象。以棋盘游戏为例，将棋子所占的位置作为外部状态，当不同的客户端尝试移动棋子时，需要通过将外部状态更新为新的位置来告诉享元对象该如何更新。
总而言之，在内部状态享元模式下，对象是共享内部状态，而在外部状态享元模式下，对象是共享内部状态和外部状态中的一部分。选哪种取决于应用的具体情况。。
2.3 模式结构：介绍 Java 享元模式的结构和相关类。
- Flyweight（享元接口）：定义了享元角色的接口，为具体享元类定义了公共接口，可以在不同的对象中共享。
- ConcreteFlyweight（具体享元类）：实现享元接口，为了共享，在其内部保存的数据必须是共享状态。具体享元类负责处理与属于自己的内部状态有关的操作。
- UnsharedConcreteFlyweight（不可共享的具体享元类）：指不能够被共享的具体享元类，通常不会出现在享元工厂中。
- FlyweightFactory（享元工厂类）：负责维护享元池并提供从池中获取对象和将对象放回池中的方法，其内部会维护一个享元池，用于存储已经创建的享元对象。
- Client（客户端）：维护一个对享元池的引用，用于从享元工厂中获取享元对象并调用其方法。
2.4 模式实现：介绍如何实现 Java 享元模式。
- 创建一个接口或抽象类来定义享元对象，它应该在共享对象的各个具体实现之间定义为通用的方法。
- 创建一个具体享元类，实现接口或抽象类。在实现中，它应该包含共享的内部状态和可选的外部状态，同时有一个工厂方法来生成共享对象。
- 创建一个享元工厂，它维护一个享元池来存储共享对象。在请求共享对象时，从享元池中检索对象；如果对象不存在，则创建一个新对象并将其添加到享元池中。
// 创建享元接口 public interface Flyweight { public void operation(); } // 创建具体享元类 public class ConcreteFlyweight implements Flyweight { private String intrinsicState; public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) { this.intrinsicState = intrinsicState; } public void operation() { System.out.println("ConcreteFlyweight: " + intrinsicState); } } // 创建享元工厂 public class FlyweightFactory { private Map<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>(); public Flyweight getFlyweight(String intrinsicState) { if (!flyweights.containsKey(intrinsicState)) { Flyweight flyweight = new ConcreteFlyweight(intrinsicState); flyweights.put(intrinsicState, flyweight); } return flyweights.get(intrinsicState); } }
可以通过以下代码示例进行使用：
// 使用享元 FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory(); Flyweight flyweight1 = factory.getFlyweight("A"); flyweight1.operation(); Flyweight flyweight2 = factory.getFlyweight("B"); flyweight2.operation(); Flyweight flyweight3 = factory.getFlyweight("A"); flyweight3.operation();
代码执行结果：
ConcreteFlyweight: A ConcreteFlyweight: B ConcreteFlyweight: A
2.5 模式应用：介绍 Java 享元模式的应用场景。
享元模式是一种结构型设计模式，其目的是最大化共享对象的数量，以减少应用程序的内存需求。它对于那些需要创建大量相似的对象的应用程序非常有用，因为它可以极大地提高应用程序的内存效率。在 Java 中，享元模式的应用场景包括：
- 字符串池：在 Java 中，字符串是非常常见的对象。为了节省内存，Java 使用一个字符串池来存储常量字符串，以便多个字符串对象可以指向相同的常量字符串。这就是一个使用享元模式的例子。
- 缓存：当需要频繁访问数据时，我们可以将这些数据保存到缓存中。如果多个线程需要访问相同的数据，缓存可以减少数据库等数据源的负载。
- GUI 工具箱：Java GUI 工具箱中的大多数小部件都是可以重复使用的。因此，GUI 工具箱可以使用享元模式来减少内存占用。
- 内存池：在需要频繁创建和销毁对象的应用程序中，内存池可以大大提高内存使用效率。对象的实例化和销毁是非常耗费资源的，因此使用内存池来缓存这些对象可以避免浪费系统资源。
- 网络连接池：当需要频繁与数据库或其他远程资源进行通信时，可以使用网络连接池来减少网络负载和系统资源的消耗。网络连接池可以缓存和重用连接对象，避免频繁创建和销毁连接对象，从而提高系统性能。
三、模式比较
3.1 工厂模式：与工厂模式进行比较，分析两者间的差异和优劣。
享元模式和工厂模式都是基于对象创建的设计模式。但两者在对象的创建和使用方面有所不同。
- 对象的创建：工厂模式在需要创建对象时，会通过一个工厂类进行创建，而享元模式则通过享元工厂来共享已经创建过的对象。
- 对象的使用：工厂模式在每次需要对象时，都会去创建一个新的对象；而享元模式则会尽可能地重用已经创建好的对象，从而节省内存空间。
- 对象的存储：在工厂模式中，对象是独立的，需要单独存储；而在享元模式中，对象可以共享存储。
- 对象的变化：在享元模式中，由于对象是共享的，如果一个对象的状态发生变化，那么影响到的是所有共享该对象的对象；而在工厂模式中，由于每个对象都是独立的，一个对象的变化不会影响到其他对象。
优劣比较：
- 工厂模式可以创建不同类型的对象，具有更高的扩展性；
- 享元模式可以共享已创建好的对象，从而减少内存的使用；
- 工厂模式在创建新对象时可能会造成重复的创建，但程序可维护性比享元模式高。
3.2 单例模式：与单例模式进行比较，分析两者间的相似性和不同点。
- 相似性：
- 两者都是创建型模式，主要关注对象的创建和实例化方式。
- 两者都可以提高程序的性能和效率。
- 都可以缓存对象以减少内存和资源的浪费。
- 不同点：
- 单例模式只有一个实例，只能被实例化一次，其目的是保证实例的唯一性，而享元模式则可以创建多个实例，但它们共享相同的状态。以字母打印为例，单例模式只需要一个字母，而享元模式可以创建多个不同的字母实例，但它们在共享状态方面是相同的。
- 在享元模式中，对象的状态是内部属性，由享元工厂来维护，而在单例模式中，对象的状态通常是外部可见的属性。
- 享元模式主要强调共享对象，单例模式主要强调创建唯一的对象。
- 单例模式的对象通常是通过延迟实例化或饿汉式实现的，而享元模式的对象则通常是通过享元工厂和享元池来实现的。
总之，单例模式和享元模式都提供了在实例化和保存对象方面的优化和性能的提升，但它们侧重点略有不同。利用单例模式可以创建唯一的对象，而利用享元模式则可以创建多个共享了状态的对象。
四、模式使用
4.1 项目需求：根据项目需求，分析是否适用 Java 享元模式。
我们的项目是一个汽车制造公司，该公司可以制造不同类型的汽车。在我们的项目中，需要生成不同型号的汽车以满足客户的需求。我们需要考虑如何节约内存，同时尽可能地减少重复的对象。
是否适用Java享元模式？ Java 享元模式的主要目的是尽可能地减少内存的使用。由于我们需要生成多个相似的汽车，因此 Java 享元模式是适用的。
4.2 设计方案：开发设计方案，将 Java 享元模式结合在项目中。
在项目中使用享元模式可以有效地降低内存的使用量，提高系统的性能。具体的设计方案如下：
- 定义享元接口（Flyweight），用于声明公共方法，这些方法可以在不同的具体享元对象中共享。
- 实现具体享元类（ConcreteFlyweight），实现享元接口，并保存内部状态。内部状态指不会随着外部环境的变化而改变的共享信息。
- 创建享元工厂（FlyweightFactory），用于创建和管理享元对象。在工厂中，我们可以缓存已经创建的享元对象，并在需要时返回缓存的对象。
- 客户端（Client）通过享元工厂来获取享元对象，并调用共享方法。
4.3 代码实现：根据设计方案实现 Java 享元模式的代码。
import java.util.HashMap; import java.util.Map; interface Shape { void draw(); } class Circle implements Shape { private String color; public Circle(String color) { this.color = color; } @Override public void draw() { System.out.println("Drawing a " + color + " circle."); } } class ShapeFactory { private static final Map<String, Shape> circleMap = new HashMap<>(); public static Shape getCircle(String color) { Circle circle = (Circle) circleMap.get(color); if (circle == null) { circle = new Circle(color); circleMap.put(color, circle); System.out.println("Creating new circle with color " + color); } else { System.out.println("Returning circle of color " + color); } return circle; } } public class FlyweightPatternExample { public static void main(String[] args) { Shape redCircle = ShapeFactory.getCircle("red"); redCircle.draw(); Shape blueCircle = ShapeFactory.getCircle("blue"); blueCircle.draw(); Shape greenCircle = ShapeFactory.getCircle("green"); greenCircle.draw(); Shape redCircle2 = ShapeFactory.getCircle("red"); redCircle2.draw(); } }
五、模式总结
5.1 总结：总结 Java 享元模式的使用和优点。
Java 享元模式是一种结构型设计模式，可以实现对象的共享，从而降低系统内存的开销，提高系统性能。Java 享元模式的核心思想是共享细粒度的对象，通过对象的缓存和管理，实现对象的共享。Java 享元模式可以通过工厂模式来实现对象的共享和管理，同时也可以结合其他设计模式来实现更复杂的功能。
Java 享元模式的优点主要包括：
- 减少系统内存的开销：Java 享元模式通过共享对象来减少系统内存的使用，从而提高系统的性能和稳定性。
- 提高系统的性能：由于减少了对象的创建和销毁，Java 享元模式可以提高系统的性能。
- 提高系统的可扩展性：Java 享元模式可以通过工厂模式来实现对象的管理，从而提高系统的可扩展性。
5.2 注意事项：总结使用 Java 享元模式时需要注意的细节和问题。
在使用 Java 享元模式时，需要注意以下几个细节和问题：
- 对象的复用需要具备可共享性，可以使用工厂模式来获取共享对象。
- 需要考虑对象的线程安全性，确保共享对象的线程安全性。
- 需要合理设计对象的缓存策略，避免出现缓存溢出和缓存被清除的问题。
- 需要考虑对象的生命周期管理，确保共享对象的正确生命周期管理。
- 需要确保共享对象的属性不会被修改，需要进行适当的封装和保护。
