设计模式：Flyweight模式(享元模式)

记得在大学时，用当时的那台电脑玩魔兽，一旦视野内存在大量兵的时候，游戏就会暂时卡掉，无法进行任何操作。那就是因为系统new出来太多的兵，所需内存空间已经超出了硬件可提供的空间而导致游戏卡掉的。事实上，当遇到类似问题时，我们可以优先考虑一下Flyweight模式。

定义
GOF: 使用共享技术高效地支持大量的细粒度对象。
中文名字的意思也是很称职的：共享同一个元对象。

结构图


                                                图一：GOF中的Flyweight模式结构图

解说
*Flyweight模式的设计意图是避免大量相似对象的创建。一般会先创建一个或一组具有相同属性的元对象，使客户端可以共享使用这个元对象。由于元对象被大量的共享使用，因此对内存的占用有很大的改善。
*Flyweight对象能够做到共享的关键是区分内部状态（Internal State）和外部状态（External State）。
*内部状态存储在Flyweight对象内部，并且不会随环境的改变而有改变。因此，一个Flyweight对象可以具有内部状态并可以共享。
*外部状态是随环境改变而改变的、不可共享的状态。Flyweight对象的外部状态必须由客户端保存，并在对象被创建后，在需要使用的时候再传给Flyweight对象。
*外部状态不可以影响Flyweight对象的内部状态。换句话说，它们是相互独立的。

示例
Design Patterns[GOF]中给的例子是一个文档编辑器的format功能的例子。英文里只有几十个标点符号和26个英文字符可用，而在一篇通常大小的文档中，一个字符基本上会用几百遍以上，只不过分别具有不同的style和位置而已。在这里，对于每一个Character对象来说，它所代表的字符是永远不会变动的，属于内部状态；而它的style和位置则是经常变动的，属于外部状态。

文章的开始，我们提到了魔兽游戏的例子。不过魔兽中的士兵是否足够多是与地图相关的，所以采用Flyweight模式是不是最好的方案还要认真斟酌。不过我们还有别的例子可用，最常见的就是棋牌游戏。
围棋桌是19X19，一个可以下361个棋子，可能放在一局游戏中不是太多。但是现在的游戏大都网络化了，一台服务器可以同时提供n局对战，那么所需要创建的棋子对象就会非常的多。而棋子所具有的属性也很简单，圆形和黑、白色就是它的内部属性，一旦创建好，就永远不会变；而它的位置就是外部属性。针对这个例子提供了一个简单的设计。


                                       图二：围棋中应用Flyweight模式的设计

在类WeiqiChessman中，shape和color都是对象的内部状态，一旦确定之后就永远不会改变的；而它所在的位置则是在客户端每次调用它的方法moveTo()时才能够得知，这是它的外部状态，是可以被改变的。
这个模式对于其他类似于的棋牌游戏来说也是适合的，只要系统的需求满足以下条件即可。

适用于
当以下所有 的条件都满足时，可以考虑使用Flyweight模式：
(1) 一个系统有大量的对象。
(2) 这些对象耗费大量的内存。
(3) 这些对象的状态中的大部分都可以外部化。
(4) 这些对象可以按照内部状态分成很多组，当把外部状态从对象中剔除时，每个组都可以仅用一个对象代替。
(5) 软件系统不依赖于这些对象的身份，换言之，这些对象可以是不可分辨的。
最后，使用Flyweight模式需要维护一个记录了系统已有的所有共享单元的表，而这需要耗费资源。因此，应当在有足够多的Flyweight实例可供共享时才值得使用Flyweight模式。

优缺点
★Flyweight模式的优点在于它大幅度的降低了内存中对象的数量。但是，它做到这一点所付出的代价也很高：
★ Flyweight模式使得系统更加复杂。为了使对象可以共享，需要将一些状态外部化，这使得程序的逻辑复杂化。
★ Flyweight模式将共享对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间稍微变长，算是以时间换取了空间。

Object Pool是Flyweight模式吗？
曾经看到有些文章中是把Object Pool认为是Flyweight模式的一种，并且也有一些争论。
关于这一点，笔者也进行了一些思考和调查。个人认为 http://www.mindspring.com/~mgrand/pattern_synopses.htm 和 http://www.oodesign.com/object-pool-pattern.html 的理解更为合理。也就是把Object Pool作为23种模式之外的一种新的模式，并且把它归类为创建型模式中(Creational Patterns)。

应用Flyweight模式的关键之一是内部状态和外部状态的区分，而Object Pool所应用的场景基本上不会考虑这一点。
Flyweight模式所解决的问题之一是使大量的对象共享同一个元对象，是对空间（memory）的优化；而Object Pool主要是解决的问题是对象的创建过程很耗时，所以通过pool的方式来快速的提供对象，这是对时间（performance）的优化，当然，可能也会有空间上的考虑。
Flyweight模式中的元对象本身是Immutable的，是可以同时被多个客户端使用的，是一种并行的方案，而Object Pool中创建的对象一旦被某个客户端使用中，另外一个客户端就不能够同时使用这个对象，是一种串行的方案。

基于以上分析，我们可以看出，Object Pool模式主要是针对对象的创建过程很困难，很耗时，很耗资源，或者说对象的创建个数有限制，而提供的一种解决方案。JDBC程序中提供的连接池就是一个很好的例子，数据库连接的创建包含物理连接的创建，非常的消耗时间，另外大部分数据库产品可同时支持的数据库连接个数也是有限的。
Object Pool模式基本上不关心外部的使用，并不要求客户端持有任何其他信息。从某种程度上讲，它的结构和功能和工厂方法比较接近，只是内部的创建对象的过程不一样。

因此，笔者也认为把Object Pool归类为23个模式之外的一种新的创建型模式更为合理。

参考资料
1. Flyweight Pattern
   http://www.oodesign.com/flyweight-pattern.html
2. Overview of Design Patterns
   http://www.mindspring.com/~mgrand/pattern_synopses.htm
3. Object Pool
   http://www.oodesign.com/object-pool-pattern.html
4. 设计模式之Flyweight(享元) FlyWeight模式
   http://www.jdon.com/designpatterns/flyweight.htm
5. Flyweight模式之我见
   http://www.jdon.com/jivejdon/thread/31903
6. Flyweight模式
   http://chenchh.javaeye.com/blog/668089
7. java flyweight模式
   http://blog.csdn.net/ykdsg/archive/2010/02/24/5321750.aspx
8. Java对象池技术的原理及其实现
   http://java.chinaitlab.com/advance/731726.html
9. Java小对象的解决之道——对象池（Object Pool）的设计与应用
   http://blog.csdn.net/bryantd/archive/2006/08/20/1100019.aspx