设计模式之享元模式：看19路棋盘如何做到一子千面

~犬📰余~
"我欲贱而贵，愚而智，贫而富，可乎？曰：其唯学乎"

一、享元模式概述

\quad 在软件设计中，享元模式(Flyweight Pattern)的核心思想是通过共享来有效地支持大量细粒度对象的重用。这里的"享"体现在共享，"元"则体现在这些可以共享的基本元素上。正如共享单车系统一样，享元模式会维护一个对象池，其中存储可以复用的对象，当需要时直接从池中获取，而不是重新创建。

\quad 上图展示了享元模式的基本架构，我们可以看到多个客户端都在复用对象池中的共享对象。这些共享对象具有两种状态：

内部状态：对象可共享的、固定不变的属性，就像自行车的基本构造。
外部状态：对象不可共享的、随环境改变的属性，就像自行车的位置和使用状态。

\quad 这种模式特别适合处理需要创建大量相似对象的场景。通过识别对象的内部状态和外部状态，将可共享的部分集中管理，不仅可以显著减少内存占用，还能提升系统性能。

二、享元模式分类

\quad 在享元模式中，根据对象是否可以共享，我们可以将享元分为两种类型：共享享元和非共享享元，就像上图所展示的那样。

共享享元是享元模式的核心，它代表那些可以被多个环境共享使用的对象。这类对象的特点是它们的内部状态是一致的，不会因为使用环境的改变而改变。就像围棋中的黑白棋子，每个黑棋的颜色和形状都是完全相同的，我们没必要为每个位置都创建新的棋子对象，而是可以共享使用现有的棋子，只需要改变它们的位置信息即可。
非共享享元则是那些不能被共享的对象。这类对象可能具有特定的、不可共享的状态。虽然它们不共享，但仍然可以通过享元工厂来统一管理。比如在文字编辑器中，每个字符的字体样式可能都不相同，这时就需要使用非共享享元来处理这些特殊情况。

\quad 共享享元和非共享享元经常一起使用，它们各自处理不同的业务场景。共享享元主要用于那些需要大量创建相似对象的场景，通过共享来减少内存占用；而非共享享元则用于处理那些虽然结构相似，但状态必须独立的对象。

三、享元模式角色组成

\quad 如上图所示，享元模式主要由四个核心角色组成，它们共同协作来实现对象的高效共享和管理。

Flyweight（享元接口）是所有具体享元类的公共接口，它定义了享元对象需要实现的方法。这个接口通常包含一个传入外部状态的操作方法，使享元对象能够根据外部状态改变其行为。
ConcreteFlyweight（具体享元类）是实现了Flyweight接口的具体类。它包含内部状态，也就是那些可以共享的、不会随环境改变的信息。例如，在围棋程序中，棋子的颜色就是内部状态。这个类的实例会被多个客户端共享使用。
UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元类）也实现了Flyweight接口，但它的实例不会被共享。这个类包含了不能共享的状态信息。比如在文本编辑器中，虽然字符'A'可以被共享，但如果这个'A'有特殊的样式，就需要使用非共享享元来处理。
FlyweightFactory（享元工厂）负责创建和管理享元对象。它通常维护一个享元池（用Map实现），用于存储已创建的享元对象。当客户端请求一个享元对象时，工厂会先检查池中是否存在满足要求的对象，如果存在就直接返回，否则才创建新的对象。这保证了相同内部状态的享元对象只会被创建一次。

四、享元模式案例

\quad 让我们通过实现一个简单的围棋程序来深入理解享元模式。在围棋中，棋子只有黑白两色，但要放置在棋盘的不同位置上。这里棋子的颜色就是内部状态，可以被共享；而位置则是外部状态，需要在使用时指定。

图片
\quad 首先定义棋子的位置类：

java 复制代码

// 棋子位置类-外部状态
public class Position {
    private int x;
    private int y;
    
    public Position(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    
    public int getX() { return x; }
    public int getY() { return y; }
}

\quad 接下来定义围棋的棋子共享接口以及实现类:

java 复制代码

// 围棋棋子接口
public interface GoChessPiece {
    void display(Position position);
}
// 具体的围棋棋子类
public class ConcreteChessPiece implements GoChessPiece {
    private String color; // 内部状态
    
    public ConcreteChessPiece(String color) {
        this.color = color;
    }
    
    @Override
    public void display(Position position) {
        System.out.printf("棋子颜色：%s，位置：(%d, %d)%n", 
            color, position.getX(), position.getY());
    }
}

\quad 然后是工厂类：

java 复制代码

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class GoChessPieceFactory {
    private static final Map<String, GoChessPiece> pieces = new HashMap<>();
    
    public static GoChessPiece getChessPiece(String color) {
        GoChessPiece piece = pieces.get(color);
        if (piece == null) {
            piece = new ConcreteChessPiece(color);
            pieces.put(color, piece);
        }
        return piece;
    }
}

\quad 使用示例：

java 复制代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取白色棋子并放在(2, 3)位置
        GoChessPiece white1 = GoChessPieceFactory.getChessPiece("白色");
        white1.display(new Position(2, 3));

        // 获取另一个白色棋子放在(3, 6)位置
        GoChessPiece white2 = GoChessPieceFactory.getChessPiece("白色");
        white2.display(new Position(3, 6));

        // 判断是否是同一个对象
        System.out.println("两个白棋是否共享同一个对象：" + (white1 == white2));
    }
}

\quad 测试结果：

\quad 在这个案例中，我们可以看到：

棋子的颜色（内部状态）被共享，每种颜色的棋子只会创建一个对象
棋子的位置（外部状态）在使用时由客户端指定

五、享元模式优缺点

优点

\quad 享元模式的核心优势是通过共享对象来减少内存占用，特别适合需要创建大量相似对象的场景。使用享元模式可以集中管理可复用的对象，使得对象的创建和维护更加规范和高效。

缺点

\quad 这种模式增加了系统的复杂度，需要额外的工厂类来管理对象池，同时还需要仔细区分内部状态和外部状态。在对象数量较少的场景下，这种模式带来的收益可能无法抵消其带来的开发成本。

六、享元模式适用场景

\quad 享元模式最适合应用在系统需要创建大量相似对象，且这些对象可以分离出共享部分的场景。典型的应用场景包括：

文字编辑器中的字符渲染：相同的字符可以共享字形信息，只需要改变位置和样式
游戏中的素材管理：相同的游戏素材（如树木、建筑）可以在不同位置重复使用
地图应用中的图标：相同类型的地标可以共享图标资源
网页中的图片缓存：相同的图片可以在多处被重复使用

\quad 当系统中存在大量重复对象，且这些对象的大部分状态都可以外部化时，使用享元模式可以显著降低内存占用并提高性能。

七、总结

\quad 享元模式通过对象共享来提高系统性能，是一种以时间换空间的设计模式。它将对象的状态分为内部状态和外部状态，通过共享内部状态来减少对象创建。在实现时，需要通过享元工厂来统一管理对象池，确保相同内部状态的对象只被创建一次。这种模式特别适合需要大量创建相似对象的场景，但在使用时需要权衡其带来的复杂性和收益。

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