Java设计模式之享元模式

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。

结构

享元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：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。

案例

俄罗斯方块中的方块不需要多次创建，使用享元模式可以省下极大内存空间

创建抽象享元角色

java 复制代码

public abstract class AbstractBox {
    //相当于内部状态为形状
    public abstract String getShape();
    //外部状态为颜色
    public void getColor(String color){
        System.out.println("形状为："+getShape()+",颜色为："+color);
    }
}

创建具体享元角色

java 复制代码

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";
    }
}

创建享元工厂

java 复制代码

public class BoxFactory {
    private static BoxFactory boxFactory = new BoxFactory();
    //工厂使用单例模式
    public static BoxFactory getInstance(){
        return boxFactory;
    }

    private Map<String,AbstractBox> map;

    public BoxFactory() {
        map = new HashMap<>();
        map.put("I",new IBox());
        map.put("L",new LBox());
        map.put("O",new OBox());
    }

    public AbstractBox getBox(String key){
        return map.get(key);
    }
}

测试

java 复制代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        BoxFactory factory = BoxFactory.getInstance();
        AbstractBox IBox = factory.getBox("I");
        IBox.getColor("绿色");
        AbstractBox LBox = factory.getBox("L");
        LBox.getColor("白色");
        AbstractBox LBox2 = factory.getBox("L");
        LBox2.getColor("黑色");
        System.out.println(LBox==LBox2);
    }
}

形状为：I,颜色为：绿色

形状为：L,颜色为：白色

形状为：L,颜色为：黑色

true

根据运行结果可以看出来外部状态（颜色）的改变不会影响共享。

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

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。（案例中的Map作为容器）

JDK源码解析

Integer类中的ValueOf()方法就使用到了享元模式

java 复制代码

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;

        System.out.println(i1 == i2);

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;

        System.out.println(i3 == i4);
    }
}

ture

false

由结果可以看到这里产生了两种不同的结果，对于int类型的引用变量，装箱为Integer类型的对象，使用的是ValueOf()方法，查看ValueOf源码

这里可以看到，对于传过来的参数有一个判断操作，点进去IntegerCache查看对应的low与high属性是什么

java 复制代码

    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            // high value may be configured by property
            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) {
                    // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                }
            }
            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() {}
    }

这个静态类初始化low为-128以及定义一个high属性以及一个Integer类型的cache数组。

读取官方注释，我们可以猜测出，high属性的值可以在初始化JVM时进行更改。在静态代码块做的事情就是判断high的值是否有设置，如果没有更改就不进行if判断对h的值进行修改，如果修改了high属性值，则要进行判断是否将设置的值对h进行替换作为high属性。

对high进行完赋值后，初始化cache数组，数组长度为最大值与最小值的范围长度。然后通过for循环对范围内的所有值创建成Integer对象存放在数组中

在客户端使用时，先进行判断数组中是否存在了这个数的对象，如果存在直接返回即可，如果不存在则要进行创建Integer对象返回。