Java 设计模式——享元模式

目录

• 1.概述
• 2.结构
• 3.实现
• • 3.1.抽象享元
  • 3.2.具体享元
  • 3.3.享元工厂
  • 3.4.测试
• 4.优缺点
• 5.使用场景
• [6.JDK 源码解析------Integer 类](#6.JDK 源码解析——Integer 类)

1.概述

（1）享元模式 (Flyweight Pattern) 是一种结构型设计模式，主要通过共享对象来减少系统中的对象数量，从而提高系统的性能 。具体来说，享元模式是通过将对象分成内部状态 和外部状态两种形式来实现共享：

• 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。

通过将内部状态拆分出来，并且在一个对象池中创建对象时，判断是否已经存在需要创建的对象并返回已有对象，从而避免重复创建。

（2）这种模式适用于具有大量相近对象的场景，通过对象共享的方式可以大幅度减少系统的内存开销。在实际应用中，享元模式经常与其他设计模式相结合使用，以达到更好的效果。

2.结构

享元模式的主要有以下角色：

• 抽象享元 (Flyweight) 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 (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。

3.实现

【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。

类图如下：

具体实现代码如下：

3.1.抽象享元

AbstractBox.java

//抽象享元角色
public abstract class AbstractBox {
    //获取图形的方法
    public abstract String getShape();

    //显示图形以及颜色
    public void display(String color) {
        System.out.println("方块形状: " + getShape() + ": " + color);
    }
}

3.2.具体享元

IBox.java

public class IBox extends AbstractBox{
    @Override
    public String getShape() {
        return "I";
    }
}

LBox.java

public class LBox extends AbstractBox{
    @Override
    public String getShape() {
        return "L";
    }
}

OBox.java

public class OBox extends AbstractBox{
    @Override
    public String getShape() {
        return "O";
    }
}

3.3.享元工厂

BoxFactory.java

//工厂类，将该类设计为单例
public class BoxFactory {
    private HashMap<String,AbstractBox> map;
    
    //在构造方法中进行初始化操作
    private BoxFactory(){
        map = new HashMap<String,AbstractBox>();
        map.put("I", new IBox());
        map.put("L", new LBox());
        map.put("O", new OBox());
    }
    
    private static BoxFactory factory = new BoxFactory();
    
    //提供一个方法获取该工厂类对象
    public static BoxFactory getInstance(){
        return factory;
    }
    
    //根据名称获取图形对象
    public AbstractBox getShape(String name){
        return map.get(name);
    }
}

3.4.测试

Client.java

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //获取 I 图形对象
        AbstractBox box1 = BoxFactory.getInstance().getShape("I");
        box1.display("灰色");

        //获取 L 图形对象
        AbstractBox box2 = BoxFactory.getInstance().getShape("L");
        box2.display("红色");

        //获取 O 图形对象
        AbstractBox box3 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");
        box3.display("黑色");

        //获取 O 图形对象
        AbstractBox box4 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");
        box4.display("蓝色");

        System.out.println("两次获取到的 O 图形对象是否为同一个对象？" + (box3 == box4));
    }
}

输出结果如下：

方块形状: I: 灰色
方块形状: L: 红色
方块形状: O: 黑色
方块形状: O: 蓝色
两次获取到的 O 图形对象是否为同一个对象？true

4.优缺点

（1）享元模式的优点：

• 减少内存使用：通过共享对象，减少了系统中的对象数量，从而节省了内存空间。
• 提升性能：由于减少了对象的数量，可以提高系统的性能。共享的对象可以在多个上下文中共享使用，避免了重复创建对象的开销。
• 简化操作：对于具有相同或相似内部状态的对象，可以共享一个享元对象，简化了对对象的操作。

（2）享元模式的缺点：

• 共享对象状态的限制：由于享元模式需要将对象的内部状态和外部状态分离，因此可能会引入一定的限制。对于外部状态的改变，需要在外部进行设置，可能会带来一些额外的复杂性。
• 对象共享的线程安全问题：如果多个线程同时使用享元对象，需要保证线程安全，避免对共享对象进行修改导致其他线程的错误结果。
• 可能引入过多的复杂性：在使用享元模式时需要权衡对象的共享和不共享状态，可能会增加代码的复杂性和维护成本。

5.使用场景

（1）享元模式通常适用于以下场景：

• 需要大量创建相似的对象：例如，用于图形编辑器中的大量相似图形元素（如矩形、圆形等），可以创建一个共享的图形元素对象池，避免每次创建图形元素时都进行对象的初始化，从而提高性能和减少内存占用。
• 对象可以被共享复用：当一个对象需要在多个地方进行共享使用时，使用享元模式可以避免重复创建对象的开销，并且提高系统性能。
• 对象的大部分状态可以外部化：如果一个对象的大部分状态可以被外部计算或者设置，可以使用享元模式来将内部状态与外部状态分离，避免重复创建对象的开销。
• 系统需要缓存对象的场景：当系统需要缓存一些对象，并根据需要重复使用这些对象时，使用享元模式可以减少内存的使用，提高系统的性能。

（2）总之，享元模式适用于需要大量创建相似对象的场景，并且这些对象可以被共享复用，可以提高系统的性能和减少内存占用。

6.JDK 源码解析------Integer 类

相关面试题可以参考下面的文章：
Java 基础面试题------基本数据类型与包装类

Integer 类使用了享元模式。先看下面的例子：

class IntegerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;
        System.out.println("i1 和 i2 是否为同一个对象？" + (i1 == i2));

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;
        System.out.println("i3 和 i4 是否为同一个对象？" + (i3 == i4));
    }
}

上述程序的运行结果如下：

i1 和 i2 是否为同一个对象？true
i3 和 i4 是否为同一个对象？false

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());
	}
}

从上面代码可以看出，直接给 Integer 类型的变量赋值的底层操作使用方法的是 valueOf()，所以只需看该方法的代码即可：

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() {}
	}
}

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() 方法时：

• 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。