设计模式之享元模式

一、介绍

享元模式(FlyWeight)，属于结构型设计模式，主要解决实例化大量相同的对象，从而导致可能的内存泄漏的问题。

为了解决这个问题，享元模式提出的解决办法是将相同的对象保存在内存中，且仅保存一个对象，因此该对象应该是不可被修改的，当需要获取该对象实例时，直接从内存中读取即可，从而避免了相同对象的重复创建。

下面是享元模式的定义：

运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象

二、主要角色

享元模式有以下四个基本角色：

享元工厂(FlyWeightFactory)

工厂模式的应用，用来创建并管理享元对象，根据某一标准，在完成享元对象实例化以后，判断是否需要对该实例对象进行管理。如果客户端需要从享元工厂中获取某些实例，享元工厂将会判断是否对相同的实例进行管理，如果存在被管理的相同的实例对象，则无需重复对其进行实例化，而是直接返回被管理的对象。

一般来说，享元工厂通过HashMap对需要共享的实例进行管理。

抽象享元(FlyWeight)

享元类的抽象接口，规定了对象的行为。

共享的具体享元(SharedFlyWeightImpl)

实现于抽象享元接口，对其规定的行为进行具体实现。并且该类的实例对象在由享元工厂实例化以后，需要被工厂管理，以便在以后需要相同的对象时直接返回，而不是重复实例化。

非共享的具体享元(UnsharedFlyWeightImpl)

实现于抽象享元接口，对其规定的行为进行具体实现。与共享的具体享元实例不同的是，非共享的具体享元在被享元工厂实例化以后，不被工厂管理，即每一次需要该实例时，都需要享元工厂重复创建

三、基本原理

享元模式的核心思想是分离出不变部分与可变部分，通过共享不变部分来减少对象的创建，从而降低内存消耗和提高性能。这种模式的实现方式是通过将对象的状态分为内部状态和外部状态，内部状态是对象不可变的共享部分，而外部状态是可以改变的独立部分。当多个客户端请求同一个享元对象时，它们实际上共享的是同一个对象，这样就避免了重复创建相同的对象，从而节省了内存空间。同时，享元模式还通过工厂模式来实现对象的创建和管理，通过缓存等技术手段来提高对象的复用效率

四、案例

案例背景：实现一个文本编辑器的基础字符显示功能，要求支持大量字符（如字母、数字）的显示，每个字符需记录其编码（如'A'、'1'）和位置（行号、列号）

传统实现（痛点版）

java 复制代码

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用示例：创建10000个'A'字符
        List<Character> characters = new ArrayList<>();
        // 创建10000个'A'，每个都是独立对象（内存浪费）
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            characters.add(new Character("A", i / 100, i % 100));
        }
        // 显示所有字符
        characters.forEach(Character::display);

    }


    // 传统实现：每个字符独立创建对象
    static class Character {
        private String code;  // 字符编码（如'A'）
        private int row;      // 行号（外部状态）
        private int col;      // 列号（外部状态）

        public Character(String code, int row, int col) {
            this.code = code;
            this.row = row;
            this.col = col;
        }

        public void display() {
            System.out.printf("字符：%s，位置：(%d,%d)%n", code, row, col);
        }
    }
}

痛点总结：

内存浪费严重：10000个'A'字符被创建为10000个独立对象，但它们的code字段完全相同（仅row和col不同）。
性能低下：大量对象创建/销毁增加GC压力，尤其在高频操作（如文本输入）时可能导致卡顿。
管理复杂：无法统一控制字符对象的生命周期（如批量回收或修改共享属性）

享元模式实现（优雅版）

抽象享元角色：定义字符的公共接口

java 复制代码

public interface FlyweightCharacter {
    void display(int row, int col);  // 显示方法（接收外部状态：行、列）
}

具体享元角色：实现字符的共享逻辑（内部状态：code）

java 复制代码

public class ConcreteCharacter implements FlyweightCharacter {
    private String code ;  // 内部状态
    @Override
    public void display(int row, int col) {
        System.out.printf("字符：%s，位置：(%d,%d)%n", code, row, col);
    }
}

享元工厂：管理字符对象的共享（单例模式）

java 复制代码

public class CharacterFactory {
    private static final CharacterFactory INSTANCE = new CharacterFactory();
    private final Map<String, FlyweightCharacter> pool = new HashMap<>();  // 缓存池（code→字符对象）

    private CharacterFactory() {}  // 私有构造

    public static CharacterFactory getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    // 获取或创建字符对象（关键：仅当code不存在时新建）
    public FlyweightCharacter getCharacter(String code) {
        if (!pool.containsKey(code)) {
            pool.put(code, new ConcreteCharacter(code));  // 仅创建一次
        }
        return pool.get(code);
    }

    // 统计缓存大小（用于验证共享效果）
    public int poolSize() {
        return pool.size();
    }
}

测试

五、优缺点

优点

减少内存消耗：通过共享对象，避免创建大量重复的对象实例，从而减少内存消耗。
提高性能：由于对象被共享，因此可以减少对象的创建和销毁，从而提高系统的性能。
外部状态与内部状态的分离：享元模式将对象的外部状态和内部状态分离，使得对象的状态更加灵活和可维护。

缺点

复杂度较高：享元模式需要分离出内部状态和外部状态，这使得程序的逻辑变得复杂，设计不当可能导致逻辑混乱
运行时间可能变长：为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的部分状态外部化，而读取外部状态将使得运行时间变长。
需要维护享元池：享元模式需要维护一个享元池来管理共享对象，这可能会引入额外的复杂性
线程安全问题 若工厂类非线程安全（如使用普通HashMap），多线程并发获取对象时可能导致数据不一致（可通过ConcurrentHashMap解决）

六、总结

总之，享元模式适用于那些需要大量使用相同或相似对象，并且需要频繁创建和销毁同一类对象的场景。通过共享对象来避免重复创建相同的对象，从而提高系统性能和降低内存消耗，但是享元模式也存在一些缺点，需要根据具体情况权衡其优缺点，考虑是否适合使用享元模式。

设计模式之享元模式

一、介绍

二、主要角色

享元工厂(FlyWeightFactory)

抽象享元(FlyWeight)

共享的具体享元(SharedFlyWeightImpl)

非共享的具体享元(UnsharedFlyWeightImpl)

三、基本原理

四、案例

传统实现（痛点版）

享元模式 实现（优雅版）

五、优缺点

优点

缺点

六、总结

享元模式实现（优雅版）