前言
【设计模式】享元模式
一、享元模式
- 定义：
- 运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似对象的开销，从而提高系统资源的利用率。
- 享元（Flyweight ）模式中存在以下两种状态：
- 内部状态，即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
- 外部状态，指随环境改变而改变的不可以共享的部分。享元模式的实现要领就是区分应用中的这两种状态，并将外部状态外部化。
- 享元模式的主要有以下角色：
- 抽象享元角色（Flyweight）：通常是一个接口或抽象类，在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法，这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同时也可以通过这些方法来设置外部数据（外部状态）。
- 具体享元（Concrete Flyweight）角色 ：它实现了抽象享元类，称为享元对象；在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类，为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。
- 非享元（Unsharable Flyweight)角色 ：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类；当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
- 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。
1.案例
【例】俄罗斯方块
下面的图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块，如果在俄罗斯方块这个游戏中，每个不同的方块都是一个实例对象，这些对象就要占用很多的内存空间，下面利用享元模式进行实现。
先来看类图：
代码如下：
俄罗斯方块有不同的形状，我们可以对这些形状向上抽取出AbstractBox，用来定义共性的属性和行为。
public abstract class AbstractBox { public abstract String getShape(); public void display(String color) { System.out.println("方块形状：" + this.getShape() + " 颜色：" + color); } }
接下来就是定义不同的形状了，IBox类、LBox类、OBox类等。
public class IBox extends AbstractBox { @Override public String getShape() { return "I"; } } public class LBox extends AbstractBox { @Override public String getShape() { return "L"; } } public class OBox extends AbstractBox { @Override public String getShape() { return "O"; } }
提供了一个工厂类（BoxFactory），用来管理享元对象（也就是AbstractBox子类对象），该工厂类对象只需要一个，所以可以使用单例模式。并给工厂类提供一个获取形状的方法。
public class BoxFactory { private static HashMap<String, AbstractBox> map; private BoxFactory() { map = new HashMap<String, AbstractBox>(); AbstractBox iBox = new IBox(); AbstractBox lBox = new LBox(); AbstractBox oBox = new OBox(); map.put("I", iBox); map.put("L", lBox); map.put("O", oBox); } public static final BoxFactory getInstance() { return SingletonHolder.INSTANCE; } private static class SingletonHolder { private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory(); } public AbstractBox getBox(String key) { return map.get(key); } }
/** * @Version: 1.0.0 * @Author: Dragon_王 * @ClassName: Client * @Description: 测试类 * @Date: 2023/12/25 13:02 */ public class Client { public static void main(String[] args) { AbstractBox box1 = BoxFactory.getInstance().getShape("I"); box1.display("灰色"); AbstractBox box2= BoxFactory.getInstance().getShape("L"); box2.display("绿色"); AbstractBox box3 = BoxFactory.getInstance().getShape("O"); box3.display("灰色"); AbstractBox box4 = BoxFactory.getInstance().getShape("O"); box4.display("红色"); System.out.println("两次获取到的O图形对象是否是同一个对象：" + (box3 == box4)); } }
分析：可以看到获取的两个O图形的对象虽然颜色不一样，但是是同一个对象，这就是享元模式的核心，重复使用的对象改变了一点东西，所以就用单例实现，避免内存浪费。
2.优缺点
- 优点
- 极大减少内存中相似或相同对象数量，节约系统资源，提供系统性能
享元模式中的外部状态相对独立，且不影响内部状态
- 缺点：
- 为了使对象可以共享，需要将享元对象的部分状态外部化，分离内部状态和外部状态，使程序逻辑复杂
3.使用场景
- 一个系统有大量相同或者相似的对象，造成内存的大量耗费。
- 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。
- 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。
4.JDK源码解析
Integer类使用了享元模式。我们先看下面的例子：
public class Demo { public static void main(String[] args) { Integer i1 = 127; Integer i2 = 127; System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象？" + (i1 == i2)); Integer i3 = 128; Integer i4 = 128; System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4)); } }
运行结果如下：
为什么第一个输出语句输出的是true，第二个输出语句输出的是false？通过反编译软件进行反编译，代码如下：
public class Demo { public static void main(String[] args) { Integer i1 = Integer.valueOf((int)127); Integer i2 Integer.valueOf((int)127); System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i1\u548ci2\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i1 == i2)).toString()); Integer i3 = Integer.valueOf((int)128); Integer i4 = Integer.valueOf((int)128); System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i3\u548ci4\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i3 == i4)).toString()); } }
上面代码可以看到，直接给Integer类型的变量赋值基本数据类型数据的操作底层使用的是 valueOf() ，所以只需要看该方法即可
public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> { public static Integer valueOf(int i) { if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high) return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)]; return new Integer(i); } private static class IntegerCache { static final int low = -128; static final int high; static final Integer cache[]; static { 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) { } } 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() {} } }
不需要细看研究上面源码，只需要知道：可以看到 Integer 默认先创建并缓存 -128 ~ 127 之间数的 Integer 对象，当调用 valueOf 时如果参数在 -128 ~ 127 之间则计算下标并从缓存中返回，否则创建一个新的 Integer 对象。
总结
以上就是享元模式的讲解。
