设计模式之享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，其核心思想是通过共享技术来支持大量细粒度对象的复用，从而减少对象的创建数量，降低内存消耗，提高应用程序的性能和资源利用率。以下是对享元模式的详细介绍：
一、定义与特点
- 定义：享元模式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，避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。
- 特点 ：
- 细粒度对象：享元模式通常应用于系统中存在大量细粒度对象的场景。
- 共享技术：通过共享技术来减少对象的数量，从而降低内存消耗。
- 内外状态分离：享元模式将对象的状态分为内部状态和外部状态。内部状态是不变的，可以在多个对象之间共享；外部状态是随环境改变而改变的，不能共享。
二、类图结构与角色
享元模式的实现通常包括以下几个部分：
- 享元接口（Flyweight Interface）：定义一个接口，用于声明享元对象的方法。
- 具体享元类（Concrete Flyweights）：实现享元接口，为内部状态提供存储空间。
- 非共享具体享元类（Unshared Concrete Flyweights）：那些不需要共享的享元子类。
- 享元工厂类（Flyweight Factory）：用于创建并管理享元对象。它维护一个享元池，根据需要提供共享对象，避免无限制地创建新对象。
三、主要优点
- 减少内存消耗：通过共享相同或相似的对象，可以显著减少内存中对象的数量，降低内存消耗。
- 提高性能：减少了对象的创建和销毁时间，从而提高了系统的性能。
- 加强数据共享：强化了对象间的数据共享，有助于统一管理和减少冗余数据。
四、主要缺点
- 增加程序复杂性：为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这增加了程序的复杂性。
- 运行时间变长：读取享元模式的外部状态可能会使运行时间稍微变长。
- 线程安全问题：在多线程环境下使用享元对象时，需要考虑线程安全的问题。
五、适用场景
享元模式适用于以下场景：
- 系统中存在大量相似对象：当系统需要创建大量相似对象时，可以考虑使用享元模式来减少内存消耗。
- 对象的创建成本较高：如果对象的创建成本较高，且对象的状态可以分为内部状态和外部状态时，可以使用享元模式来减少创建对象的数量。
- 需要精细化控制对象共享：当需要对对象的共享进行精细化控制时，可以使用享元模式通过享元工厂来管理对象的创建和共享。
六、示例
下面是一个简单的Java享元模式例子，我们将创建一个简单的图形系统，其中包含多种图形（如圆形、矩形等），但每个图形都有多种颜色。由于颜色的种类可能非常多，而每种颜色可能对应多个图形，因此我们可以使用享元模式来共享颜色对象，以减少内存使用。
首先，我们定义一个Color类作为内部状态（可以共享），和一个Shape接口以及具体的Shape类作为外部状态（不可共享）。然后，我们创建一个ShapeFactory类来管理Shape对象的创建，并确保颜色的共享。
java
// Color 类，代表内部状态，可以共享
class Color {
private String color;
public Color(String color) {
this.color = color;
}
public String getColor() {
return color;
}
// 假设我们有一个简单的equals方法来检查颜色是否相同
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) return true;
if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
Color color = (Color) obj;
return Objects.equals(this.color, color.color);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(color);
}
}
// Shape 接口
interface Shape {
void draw(Color color);
}
// Circle 类，实现 Shape 接口
class Circle implements Shape {
private String id; // 外部状态，如每个圆的唯一ID
public Circle(String id) {
this.id = id;
}
@Override
public void draw(Color color) {
System.out.println("Drawing Circle: " + id + " with color " + color.getColor());
}
}
// ShapeFactory 类，用于创建和管理 Shape 对象
class ShapeFactory {
private static final Map<String, Color> colorMap = new HashMap<>();
// 获取颜色对象，如果已存在则直接返回，否则创建新的并添加到map中
public static Color getColor(String color) {
Color result = colorMap.get(color);
if (result == null) {
result = new Color(color);
colorMap.put(color, result);
}
return result;
}
// 获取 Shape 对象（这里以 Circle 为例）
public static Shape getCircle(String id) {
return new Circle(id);
}
}
// 客户端代码
public class FlyweightPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Shape redCircle = ShapeFactory.getCircle("1");
Shape greenCircle = ShapeFactory.getCircle("2");
redCircle.draw(ShapeFactory.getColor("RED"));
greenCircle.draw(ShapeFactory.getColor("GREEN"));
// 由于颜色对象被共享，所以下面的两个 RED 颜色对象是相同的实例
Shape anotherRedCircle = ShapeFactory.getCircle("3");
anotherRedCircle.draw(ShapeFactory.getColor("RED"));
}
}在这个例子中，Color类是内部状态，可以通过ShapeFactory的getColor方法被多个Shape对象共享。每个Shape对象（在这个例子中是Circle）都有自己的外部状态（如ID），这是不可共享的。ShapeFactory维护了一个colorMap来存储已经创建的颜色对象，以确保颜色的共享。
当运行此程序时，你会看到即使我们多次请求相同的颜色（如"RED"），我们也只会在内存中创建一个Color对象实例，并通过ShapeFactory的getColor方法返回该实例的引用。这减少了内存的使用，并提高了程序的效率。
七、结论
享元模式是一种有效的设计模式，用于在内存中有效地共享大量细粒度对象。它通过共享已存在的相似对象来减少内存使用，从而提高应用程序的性能和资源利用率。然而，使用享元模式也需要注意其缺点和适用场景，以确保系统设计的合理性和有效性。
如果享元模式对你有用，记得点赞收藏。