【设计模式系列笔记】享元模式-阿里云开发者社区

1. 享元模式介绍

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象来最小化内存使用或计算开销，以提高性能。该模式适用于需要大量相似对象的场景，通过共享这些相似对象的部分状态，可以有效减少内存消耗。

2. 关键思想

享元模式的关键思想是通过共享来减少对象的数量，以降低内存消耗和提高性能。具体而言，享元模式包含以下关键思想：

内部状态和外部状态的分离： 将对象的状态分为内部状态（Intrinsic State）和外部状态（Extrinsic State）。内部状态是可以被多个对象共享的部分，而外部状态是对象的变化部分，每个对象都有自己的外部状态。
共享内部状态： 享元模式的核心是共享相似对象的内部状态。通过将相似对象的内部状态抽取出来，可以在多个对象之间共享这部分状态，从而减少内存占用。
享元工厂的管理： 引入一个享元工厂，负责创建和管理享元对象。工厂维护一个享元池，确保相似对象被共享，而不是每次都创建新的对象。
外部状态的外部管理： 对于不可共享的外部状态，由客户端负责传递给享元对象。这样，享元对象可以在操作时使用外部状态，而不需要存储它，从而进一步减小对象的存储开销。
提高性能和减少内存占用： 通过共享内部状态，可以减少对象的数量，降低内存占用，提高系统性能。尤其在需要大量相似对象的场景下，享元模式可以显著减少系统资源的消耗。

总体而言，享元模式适用于需要创建大量相似对象，并且这些对象的大部分状态是可以共享的情况。通过合理地管理内部状态和外部状态，可以有效地优化系统的性能和内存使用。

3. 实现方式：

假设我们要实现一个简单的文本编辑器，其中可能包含大量相似的字符，比如相同的字母。这时候我们可以考虑使用享元模式来减少内存占用。

// 字符享元接口
interface CharFlyweight {
    void display();
}
// 具体字符享元类
class ConcreteCharFlyweight implements CharFlyweight {
    private char intrinsicState; // 内部状态（属性），可以被共享
    // 构造方法，初始化内部状态
    public ConcreteCharFlyweight(char intrinsicState) {
        this.intrinsicState = intrinsicState;
    }
    // 实现显示方法，用于展示字符的内部状态
    @Override
    public void display() {
        System.out.print(intrinsicState);
    }
}
// 字符享元工厂类
class CharFlyweightFactory {
    // 存储已创建的字符享元对象，使用 Map 保证快速查找
    private static final Map<Character, CharFlyweight> charFlyweights = new HashMap<>();
    // 获取字符享元对象，如果不存在则创建并放入享元池
    public static CharFlyweight getCharFlyweight(char key) {
        // 检查是否已存在该字符的享元对象
        if (!charFlyweights.containsKey(key)) {
            // 如果不存在，则创建新的字符享元对象并加入享元池
            charFlyweights.put(key, new ConcreteCharFlyweight(key));
        }
        // 返回字符的享元对象
        return charFlyweights.get(key);
    }
}
// 客户端使用享元模式
public class TextEditorClient {
    public static void main(String[] args) {
        // 待处理的文本内容
        String text = "Hello, World!";
        // 遍历文本，获取并显示每个字符的享元对象
        for (char c : text.toCharArray()) {
            // 获取字符的享元对象
            CharFlyweight charFlyweight = CharFlyweightFactory.getCharFlyweight(c);
            
            // 显示字符的内部状态
            charFlyweight.display();
        }
    }
}

在这个例子中，每个字符被看作是一个享元对象。CharFlyweightFactory 作为享元工厂，负责管理字符的享元对象。当客户端在文本中遇到一个字符时，通过享元工厂获取对应的享元对象，确保相同字符实际上是同一个对象。这样，对于大量相似的字符，我们只需要维护不同字符的享元对象，而不是为每个字符都创建一个新的对象，从而节省了内存。

要点：

内部状态和外部状态分离： 关键思想是将对象的状态分为内部状态和外部状态。内部状态是可以被多个对象共享的，而外部状态是对象的变化部分，由客户端在使用时传递。
共享内部状态： 享元模式的核心是共享相似对象的内部状态。通过将相似对象的内部状态抽取出来，可以在多个对象之间共享这部分状态，从而减少内存占用。
享元工厂的管理： 引入一个享元工厂，负责创建和管理享元对象。工厂维护一个享元池，确保相似对象被共享，而不是每次都创建新的对象。
外部状态的外部管理： 对于不可共享的外部状态，由客户端负责传递给享元对象。这样，享元对象可以在操作时使用外部状态，而不需要存储它，从而进一步减小对象的存储开销。
提高性能和减少内存占用： 通过共享内部状态，可以减少对象的数量，降低内存占用，提高系统性能。适用于需要大量相似对象的场景。

注意事项：

线程安全考虑： 如果多个线程同时访问享元对象，需要确保共享状态的线程安全性，或者在享元对象内部进行适当的同步。
外部状态的管理： 外部状态由客户端管理，因此需要注意外部状态的一致性和正确传递。客户端在使用享元对象时需要提供正确的外部状态。
不可变性： 内部状态应该设计成不可变的，以确保在共享时不会出现意外的修改。
适用性限制： 享元模式适用于需要创建大量相似对象的场景。在一些情况下，如果对象差异较大，共享的效果可能并不显著，甚至可能导致代码复杂化。
合理使用： 仅在真正需要共享内部状态并且对象数量庞大时才使用享元模式，避免过度设计。在一些小规模的应用中，可能并不需要引入享元模式。

优点：

减少内存占用： 通过共享相似对象的内部状态，减少了对象的数量，从而减小了内存占用，提高了系统性能。
提高性能： 由于减少了对象的数量，操作相似对象的性能得到提升。在需要大量相似对象的场景下，可以有效减少系统开销。
外部状态独立： 外部状态由客户端负责传递，使得享元对象能够在不同的环境中被共享，而外部状态的变化不会影响到内部状态。
灵活性： 客户端可以通过传递不同的外部状态给享元对象，实现不同的行为，增加了灵活性和可扩展性。

缺点：

复杂性增加： 引入享元模式可能会增加系统的复杂性，特别是在需要维护共享池和管理外部状态的情况下。
不适用所有场景： 享元模式并不适用于所有的场景，只有在有大量相似对象需要共享时才能发挥其优势。在对象差异较大的情况下，可能并不能明显地减小内存占用。

应用场景：

文本编辑器： 在文本编辑器中，字符可以被看作是享元对象。相同的字符可以被多次使用，从而减小内存占用。
图形图像处理： 在图形图像处理中，像素颜色、字体等属性可以被设计为享元对象，以便有效地处理图像中大量相似的元素。
游戏开发： 在游戏中，大量相似的角色、道具等元素可以使用享元模式，减小内存占用，提高性能。
连接池： 数据库连接池、线程池等资源池的管理中，可以使用享元模式共享可复用的资源。
网络连接管理： 在网络连接管理中，可以使用享元模式共享相同的网络连接对象，以减小连接数和提高性能。

总体而言，享元模式适用于需要大量相似对象的场景，并能够在合适的情况下提高系统性能，减小内存占用。在实际应用中，需要根据具体的业务需求来判断是否采用享元模式。

4. 内部状态和外部状态

在软件设计中，对象的状态分为两种：内部状态（Intrinsic State）和外部状态（Extrinsic State）。这种状态的划分有助于更好地理解对象的行为和属性，尤其在使用享元模式时更为重要。

内部状态（Intrinsic State）：

定义： 内部状态是对象的本质属性，它决定了对象的基本行为和特征。这部分状态是对象内在的，独立于对象被创建或被应用的上下文。内部状态对于对象的行为和特性是稳定和不变的。
特点： 内部状态是可以被共享的，多个对象可以共享相同的内部状态。这是享元模式中重要的共享部分。通常，内部状态应该设计成不可变的，以确保在共享时不会出现意外的修改。
示例： 在文本编辑器中，字符的 Unicode 码可以被视为内部状态。对于相同的字符，其 Unicode 码是相同的，因此可以被多个字符对象共享。

外部状态（Extrinsic State）：

定义： 外部状态是对象的补充信息，它可能随着时间的推移而变化，而且可能是不可共享的。外部状态对于对象的行为和外观有影响，但不影响对象的基本特征。
特点： 外部状态是不可共享的，每个对象都可能具有不同的外部状态。在使用享元模式时，外部状态需要在对象被使用时由客户端显式地传递给对象。
示例： 在文本编辑器中，字符的颜色、字体大小等属性可以被视为外部状态。这些属性可能因为不同的上下文或用户需求而不同。

总结：

内部状态和外部状态的关系： 内部状态和外部状态共同构成了对象的完整状态。内部状态是对象的本质特征，而外部状态是对象的可变和环境相关的属性。
在享元模式中的应用： 享元模式通过区分内部状态和外部状态，实现了对对象内部状态的共享，从而优化了系统的性能和资源利用。

【设计模式系列笔记】享元模式

1. 享元模式介绍

2. 关键思想

3. 实现方式：

要点：

注意事项：

优点：

缺点：

应用场景：

4. 内部状态和外部状态

内部状态（Intrinsic State）：

外部状态（Extrinsic State）：

总结：

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