享元模式详解：解锁高效资源管理的终极武器

coffee_baby2024-09-21 14:52

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享元模式

享元模式（Flyweight Pattern） 是一种结构型设计模式，旨在通过共享细粒度对象来减少内存使用和对象创建的开销。享元模式可以在系统中重复使用多个相同或相似的对象，通过避免重复创建相同的对象来提高性能，特别是在大量对象需要频繁创建时，享元模式能够极大减少内存消耗。

核心思想：

享元模式将对象分为内部状态 和外部状态 ，其中内部状态 可以被共享，而外部状态则由外部提供。通过共享内部状态对象，可以避免创建大量类似的对象。

关键点：

  • 内部状态：可以被共享的状态，不会随着环境改变。
  • 外部状态：根据具体场景变化的状态，通常通过外部传递给享元对象。
  • 享元工厂：用于管理和维护享元对象的共享，确保重复对象不会多次创建。

享元模式的原理类图

  1. FlyWeight 是抽象的享元角色, 他是产品的抽象类, 同时定义出对象的外部状态和内部状态的接口或实现
  2. ConcreteFlyWeight 是具体的享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义相关业务
  3. UnSharedConcreteFlyWeight 是不可共享的角色，一般不会出现在享元工厂。
  4. FlyWeightFactory 享元工厂类，用于构建一个池容器(集合)， 同时提供从池中获取对象方法

生动的案例：图形绘制系统 🎨

假设我们正在开发一个图形绘制系统 ，需要在屏幕上绘制大量的圆形（Circle）。每个圆形都有颜色、半径、位置等属性。为了提高性能，我们使用享元模式，共享相同颜色的圆形对象，避免重复创建相同颜色的圆形。

  • 共享对象：具有相同颜色的圆形可以共享。
  • 外部状态：圆形的半径和位置（这些信息是具体到每个圆形的，不能共享）

代码实现

Step 1: 创建 Flyweight 接口

定义享元模式的接口，draw() 方法接收外部状态。

java 复制代码 
// 享元抽象类
public interface Flyweight {
    void draw(int x, int y, int radius); // 外部状态为位置和半径
}

Step 2: 实现具体的 Flyweight 类

实现 Flyweight 接口，ConcreteFlyweight 包含共享的颜色属性。

java 复制代码 
// 具体享元类
public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private final String color; // 共享的内部状态

    public ConcreteFlyweight(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw(int x, int y, int radius) {
        System.out.println("Drawing a " + color + " circle at (" + x + ", " + y + ") with radius " + radius);
    }
}

Step 3: 实现享元工厂类

工厂类负责管理共享的 Flyweight 对象，确保同样颜色的圆形只创建一次。

java 复制代码 
public class FlyweightFactory {
    private static final Map<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>();

    public static Flyweight getFlyweight(String color) {
        Flyweight flyweight = flyweights.get(color);
        if (flyweight == null) {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(color);
            flyweights.put(color, flyweight);
            System.out.println("Creating a " + color + " flyweight.");
        }
        return flyweight;
    }
    public static int getFlyweightCount(){
        return flyweights.size();
    }
}

Step 4: 客户端使用享元模式

客户端通过工厂获取 Flyweight 对象，并传入外部状态（位置和半径）。

java 复制代码 
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Flyweight circle1 = FlyweightFactory.getFlyweight("Red");
        circle1.draw(10, 10, 5);

        Flyweight circle2 = FlyweightFactory.getFlyweight("Red");
        circle2.draw(20, 20, 10);

        Flyweight circle3 = FlyweightFactory.getFlyweight("Blue");
        circle3.draw(15, 15, 7);

        Flyweight circle4 = FlyweightFactory.getFlyweight("Red");
        circle4.draw(30, 30, 15);
        System.out.println("-------------------------------------");
        System.out.println("Total number of flyweights: " + FlyweightFactory.getFlyweightCount());
    }
}

输出结果

java 复制代码 
Creating a Red flyweight.
Drawing a Red circle at (10, 10) with radius 5
Drawing a Red circle at (20, 20) with radius 10
Creating a Blue flyweight.
Drawing a Blue circle at (15, 15) with radius 7
Drawing a Red circle at (30, 30) with radius 15
-------------------------------------
Total number of flyweights: 2

享元模式在源码中的应用

享元模式广泛应用于 Java 标准库和一些优秀的开源框架中，主要用于优化性能、减少内存占用。以下是几个使用了享元模式的经典例子：

1. Java 中的 String 常量池

Java 中的 String 类型是享元模式最典型的应用之一。String 类在 Java 中是不可变的，JVM 会在字符串常量池中缓存相同的字符串对象，以避免重复创建相同内容的字符串，从而节省内存空间。

享元模式的应用：

  • 内部状态：字符串内容（相同的字符串内容可以被共享）。
  • 外部状态 ：无（因为 String 是不可变的，所有内容都可以共享）

示例代码：

java 复制代码 
public class StringFlyweightExample {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "Hello";
        String s2 = "Hello";

        // s1 和 s2 是同一个对象，因为 JVM 在常量池中共享了 "Hello"
        System.out.println(s1 == s2);  // 输出 true

        // 通过 new 关键字创建新的字符串对象，不会使用常量池
        String s3 = new String("Hello");
        System.out.println(s1 == s3);  // 输出 false
    }
}

JVM 通过字符串常量池优化内存使用，避免重复创建相同内容的字符串。如果想看更深度解读String，请看这篇文章 https://blog.csdn.net/qq_44732500/article/details/141884904

2.Java 中的 Integer 缓存池

Integer 类中也使用了享元模式，对**-128 到 127 之间的整数**进行了缓存。这意味着当我们创建这些范围内的 Integer 对象时，它们将被共享，而不是每次都创建新对象。

享元模式的应用：

  • 内部状态：整数值（-128 到 127 之间的整数被缓存共享）。
  • 外部状态：无（这些整数是不可变的）。

源码片段：

java 复制代码 
public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

示例代码：

java 复制代码 
public class IntegerFlyweightExample {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = Integer.valueOf(127);
        Integer i2 = Integer.valueOf(127);

        // i1 和 i2 是同一个对象，因为 127 在缓存范围内
        System.out.println(i1 == i2);  // 输出 true

        Integer i3 = Integer.valueOf(128);
        Integer i4 = Integer.valueOf(128);

        // i3 和 i4 不是同一个对象，因为 128 不在缓存范围内
        System.out.println(i3 == i4);  // 输出 false
    }
}

Integer 缓存池 通过共享 -128 到 127 范围内的整数，减少了内存使用。

3.MyBatis 中的 SqlSessionFactory

MyBatis 是一个持久层框架，它通过享元模式优化了 SqlSessionFactory 对象的创建。SqlSessionFactory 是一个重量级对象，通常一个应用只需要一个实例。MyBatis 通过工厂模式和享元模式确保每个数据库只创建一个 SqlSessionFactory 实例，并重复使用。

享元模式的应用：

  • 内部状态 ：SqlSessionFactory 对象（共享的连接配置）。
  • 外部状态 ：无（SqlSessionFactory 本身是不可变的）。

示例代码：

java 复制代码 
public class MyBatisFlyweightExample {
    public static void main(String[] args) {
        SqlSessionFactory sessionFactory1 = MyBatisUtil.getSqlSessionFactory();
        SqlSessionFactory sessionFactory2 = MyBatisUtil.getSqlSessionFactory();

        // sessionFactory1 和 sessionFactory2 是同一个实例
        System.out.println(sessionFactory1 == sessionFactory2);  // 输出 true
    }
}

MyBatis 通过共享 SqlSessionFactory 实现了享元模式，避免重复创建数据库连接工厂，节省了系统资源。

4.Java 数据库连接池

在 Java 应用中，数据库连接池（如 HikariCP、DBCP 等）也是享元模式的经典应用。数据库连接是非常昂贵的资源，连接池通过共享有限的连接对象，避免重复创建和销毁连接，提升了系统性能。

享元模式的应用：

  • 内部状态：连接池中的连接对象（可以共享）。
  • 外部状态：连接的具体使用状态（如连接是否空闲）。

代码概念：

java 复制代码 
// 数据库连接池 Flyweight 模式
HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource();
Connection conn1 = dataSource.getConnection();
Connection conn2 = dataSource.getConnection();

// 使用同一个数据库连接池管理连接对象

数据库连接池通过享元模式复用连接对象，大大提高了数据库连接的性能和资源管理。

总结

  1. 减少内存消耗：通过共享相同对象，减少重复对象的创建，特别适合大量相似对象的场景。
  2. 提高系统性能：通过共享对象，减少内存使用，提升程序的运行效率。
  3. 增加系统复杂性：为了区分内部状态和外部状态，系统设计可能会更加复杂
  4. 适用场景有限：享元模式适用于存在大量相同或相似对象的场景，如果对象的状态不易共享，享元模式的效果有限。

使用场景

  1. 需要大量重复对象的场景：如图形绘制系统、文本编辑器中字符对象的管理。
  2. 缓存池：享元模式常用于对象池或缓存池中，避免创建大量相同的对象。
  3. 游戏开发：在游戏中，地图上的草地、树木等对象可以使用享元模式进行共享。
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