Java设计模式 —— 【结构型模式】享元模式(Flyweight Pattern) 详解

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概述

  • 享元模式也叫蝇量模式:运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象

  • 常用于系统底层开发,解决系统的性能问题。像数据库连接池,里面都是创建好的连接对象,在这些连接对象中有我们需要的则直接拿来用,避免重新创建,如果没有我们需要的,则创建一个;

  • 享元模式能够解决重复对象的内存浪费的问题,当系统中有大量相似对象,需要缓冲池时。不需总是创建新对象,可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存,同时提高效率;

  • 享元模式经典的应用场景 就是池技术了,String常量池数据库连接池缓冲池等等都是享元模式的应用,享元模式是池技术的重要实现方式。

定义:

享元模式是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:

  1. ++内部状态++: 即不会随着环境的改变而改变的可共享部分;
  2. ++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(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。

案例实现

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:将图形的相同形状的看做共享部分(内部状态),不同的颜色看做非共享部分(外部状态)

UML类图如下:

【抽象享元角色】:

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。

java 复制代码
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);
    }
}

【具体享元角色】:

定义不同的形状了,IBox类、LBox类、OBox类等。

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";
    }
}

【享元工厂角色】:

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。

java 复制代码
public class BoxFactory {

    private static Map<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);
    }
}

测试:

java 复制代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractBox iBox = BoxFactory.getInstance().getBox("I");
        iBox.display("灰色");

        AbstractBox lBox = BoxFactory.getInstance().getBox("L");
        lBox.display("绿色");

        AbstractBox oBox1 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
        oBox1.display("灰色");

        AbstractBox oBox2 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
        oBox2.display("红色");

        System.out.println("oBox1.hashCode(): " + oBox1.hashCode());
        System.out.println("oBox2.hashCode(): " + oBox2.hashCode());
        System.out.println("两次获取到的O图形是否是同一个对象:" + (oBox1 == oBox2));
    }
}

优缺点及使用场景

1、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。

2、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。
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