软件设计模式--第三章 结构型模式--享元模式

---

第二章 结构型模式

1、结构型模式概述

结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构。

• 类结构型模式：采用继承机制来组织接口和类，
• 对象结构型模式：采用组合或聚合来组合对象。
• 由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象结构型模式比类结构型模式具有更大的灵活性。

结构型模式分为以下7种：

1. 代理（Proxy）模式：客户端通过代理间接地访问该对象，从而限制、增强或修改该对象的一些特性。

2. 适配器（Adapter）模式：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。

3. 桥接(Bridge)模式：将抽象与实现分离，使他们可以独立的变化。用组合关系代替继承关系来实现，从而降低了抽象和实现这2个可变维度的耦合度。

4. 装饰(Decorator)模式：动态的给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。

5. 外观(Facade)模式：为多个复杂的子系统提供一个一致的接口， 使这些子系统更加容易被访问。

6. 享元(Flyweight)模式：运用共享技术来有效地支持大量细粒度 对象的复用。

7. 组合(Composite)模式：将对象组合成树状层次结构，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。

注：以上7种结构型模式，除了适配器模式分为类结构型模式和对象结构型模式2种，其他的全部属于对象结构型模式。

2、享元模式

在面向对象程序设计过程中，有时会面临要创建大量相同或相似对象实例的问题。创建那么多的对象将会耗费很多的系统资源，它是系统性能提高的一个瓶颈。

如：围棋和五子棋中的黑白棋子，图像中的坐标点或颜色，局域网中的路由器、交换机和集线器，教室里的桌子和凳子等等。这些对象有很多相似的地方，如果能把它们相同的部分提取出来共享，则能节省大量的系统资源，这就是享元模式的产生的背景。

（1）模式的定义与特点

1. 定义
   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。

2. 优点
   （1）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（缓存对象）
   （2）享元模式中的外部状态相对独立，且不影响内部状态（颜色的修改，不影响图形）

3. 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

（2）模式的结构与实现（Flyweight ）

享元（Flyweight ）模式中存在以下两种状态：

• 内部状态，即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
• 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。

1. 结构

• 抽象享元角色（Flyweight）：
  （1）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）。
  （2）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 ：
  （1）它实现了抽象享元类，称为享元对象；
  （2）在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。
  （3）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 ：
  （1）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；
  （2）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 ：
  （1）负责创建和管理享元角色。
  （2）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；
  （3）如果不存在的话，则创建一个新的享元对象。

2. 实现

例：俄罗斯方块
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。

代码如下：
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。

抽象享元角色：AbstractBox

public abstract class AbstractBox {
	 // 获取形状
    public abstract String getShape();
	// 显示图形及颜色，传递外部状态
    public void display(String color) {
        System.out.println("方块形状：" + this.getShape() + " 颜色：" + color);
    }
}

接下来就是定义不同的形状了，IBox类、LBox类、OBox类等。

具体享元角色

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";
    }
}

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。

享元工厂：BoxFactory

public class BoxFactory {
	// 聚合享元角色
    private static HashMap<String, AbstractBox> map;
	// 在构造方法中初始化
    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);
    }
	
 	//提供一个方法获取该工厂类对象
    public static BoxFactory getInstance() {
        return factory;
    }
	// 单例模式创建享元工厂
    private static BoxFactory factory = new BoxFactory();

  
	// 根据名称获取享元对象
    public AbstractBox getBox(String key) {
        return map.get(key);
    }
}

测试类：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //获取I图形对象
        AbstractBox box1 = BoxFactory.getInstance().getShape("I");
        box1.display("灰色");

        //获取L图形对象
        AbstractBox box2 = BoxFactory.getInstance().getShape("L");
        box2.display("绿色");

        //获取O图形对象
        AbstractBox box3 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");
        box3.display("灰色");

        //获取O图形对象
        AbstractBox box4 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");
        box4.display("红色");

        System.out.println("两次获取到的O图形对象是否是同一个对象：" + (box3 == box4));
    }

（3）应用场景

• 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。

（4）扩展

Integer类使用了享元模式。我们先看下面的例子：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;

        System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象？" + (i1 == i2));

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;

        System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4));
    }
}

运行上面代码，结果如下：

为什么第一个输出语句输出的是true，第二个输出语句输出的是false？

因为 Integer 默认先创建并缓存 -128 ~ 127 之间数的 Integer 对象，当调用 valueOf 时如果参数在 -128 ~ 127 之间则计算下标并从缓存中返回，否则创建一个新的 Integer 对象。

• 单纯享元模式，这种享元模式中的所有的具体享元类都是可以共享的，不存在非共享的具体享元类
  

• 复合享元模式，这种享元模式中的有些享元对象是由一些单纯享元对象组合而成的，它们就是复合享元对象。虽然复合享元对象本身不能共享，但它们可以分解成单纯享元对象再被共享