享元模式：减少内存占用的诀窍

一，概要

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，它主要通过共享对象来降低系统中对象的数量，从而减少内存占用和提高程序性能。这听起来有点像单例模式，但它们在实现和用途上有很大的区别。享元模式的核心是把一个对象的状态分成内部状态和外部状态，内部状态即是不变的，外部状态是变化的；然后通过共享不变的部分，达到减少对象数量并节约内存的目的。享元模式的本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

• 内部状态：内部状态是对象可共享的部分，它存储在享元对象内部，并且不随外部环境的变化而变化。内部状态可以被多个具体享元对象共享。
• 外部状态：外部状态是对象的上下文相关部分，它在使用时动态传入享元对象，并且随外部环境的变化而变化。外部状态不可共享，每个具体享元对象都需要接收外部状态作为参数来完成其操作。

享元模式三大角色

• 享元接口：定义了享元对象的公共方法，这些方法可以操作享元对象的外部状态，外部状态一般作为方法参数传入。

• 具体享元类：实现享元接口，完成具体的对象操作。内部状态作为成员属性存在，一旦初始化完成就不再改变，不对外提供setter方法。

• 享元工厂：负责创建和管理享元对象。当客户端请求一个享元对象时，享元工厂会检查是否有已经创建的享元对象，如果有，则直接返回；如果没有，则创建一个新的享元对象并加入到享元池中。

优点

1. 减少内存占用：相同对象只要保存一份，大大降低了系统中对象的数量。
2. 提高性能：享元模式减少了对象的创建和销毁，降低了垃圾回收的开销，从而提高了程序性能。
3. 提高可扩展性：通过外部状态的引入，享元模式可以灵活地处理不同的上下文，使得系统更具可扩展性。

缺点

1. 复杂度增加：享元模式需要将对象的状态进行拆分，引入了内部状态和外部状态的管理，增加了系统的复杂性。

2. 线程安全问题：由于享元对象是共享的，因此在多线程环境下，对享元对象的操作需要考虑线程安全。

适用场景

• 系统中存在大量细粒度的对象，且这些对象的状态可以分为内部状态和外部状态时，可以考虑使用享元模式。
• 对象的大部分状态可以共享，而一小部分状态需要外部环境来改变时，可以使用享元模式。
• 需要缓存对象以提高系统性能，并且可以接受一定的对象复用时，可以使用享元模式。
• 需要对对象进行池化管理，以便于统一控制和管理对象的创建、销毁和状态维护时，可以考虑使用享元模式。

二，实现案例

假设我们需要在一个坐标图纸上，绘制100个固定半径的圆，圆分为三种颜色。常规方法，我们定义一个圆，里面包含半径，颜色，横坐标，纵坐标四个属性，再定义一个绘制的方法draw()，然后我们创建100个对象，调用draw()方法就可以实现。但是如果我们用享元模式实现，仅需创建3个对象即可，其关键就是将颜色和半径作为内部状态共享，将坐标作为外部状态分离出来。

步骤1：创建享元接口Shape

public interface Shape {
    //x,y表示坐标
    void draw(int x,int y);
}

步骤2：创建具体享元类Circle

public class Circle implements Shape{
    private String color;
    private int radius;

    public Circle(String color){
        this.color = color;
        this.radius = 10;
    }

    @Override
    public void draw(int x,int y) {
        System.out.println("--在坐标("+x+","+y+")处画圆： [颜色 : " + color
                +", 半径 :" + radius+"]");
    }
}

步骤3：创建享元工厂ShapeFactory

public class ShapeFactory {
    private static final HashMap<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();

    public static Shape getCircle(String color) {
        Circle circle = (Circle)circleMap.get(color);
        System.out.println("从缓存中获取"+color+"色的圆");

        if(circle == null) {
            circle = new Circle(color);
            circleMap.put(color, circle);
            System.out.println("缓存中不存在，先创建"+color+"色的圆，并放入缓存中");
        }
        return circle;
    }
}

步骤4：客户端测试

public class Client {
    private static final String colors[] = { "Red", "Green", "Blue" };

    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i < 10; ++i) {
            Circle circle = (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
            circle.draw(getRandomX(),getRandomY());
        }
    }

    private static String getRandomColor() {
        return colors[(int)(Math.random()*colors.length)];
    }
    private static int getRandomX() {
        return (int)(Math.random()*100 );
    }
    private static int getRandomY() {
        return (int)(Math.random()*100);
    }
}

测试结果

三，总结

享元模式是一种非常实用的设计模式，它的思想很简单，就是把一些可以共享的对象只创建一份，放入到缓存池中，供业务方引用。这样做可以大大减少对象的创建开销，减少内存中相似或相同对象的数量，减少内存占用。在java源码中也有很多享元模式的思想体现，如String的字符串常量池，Integer包装类中的IntegerCach，以及各种连接池，线程池等技术。我们在日常开发过程中，可以结合上下文场景，灵活运用享元模式，但需要注意线程安全性和共享池的管理。

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