设计模式(十二)：结构型之享元模式

设计模式系列文章

设计模式(一)：创建型之单例模式

设计模式(二、三)：创建型之工厂方法和抽象工厂模式

设计模式(四)：创建型之原型模式

设计模式(五)：创建型之建造者模式

设计模式(六)：结构型之代理模式

设计模式(七)：结构型之适配器模式

设计模式(八)：结构型之装饰器模式

设计模式(九)：结构型之桥接模式

设计模式(十)：结构型之外观模式

设计模式(十一)：结构型之组合模式

设计模式(十二)：结构型之享元模式

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一、设计模式分类

• 创建型模式
  • 用于描述“怎样创建对象”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”
  • 提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者 5 种创建型模式
• 结构型模式
  • 用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构
  • 提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合 7 种结构型模式
• 行为型模式
  • 用于描述类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象无法单独完成的任务，以及怎样分配职责
  • 提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器 11 种行为型模式

二、享元模式

1、概述

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、结构

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

享元模式的主要有以下角色：

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

3、实现

俄罗斯方块

• 图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块
• 如果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

类图：

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
public abstract class AbstractBox {
	//内部状态
    public abstract String getShape();
    //外部状态
    void display(String color){
        System.out.println("方块形状："+getShape()+", 颜色："+color);
    }
}

• 接下来就是定义不同的形状了，IBox类、LBox类、OBox类

//三个具体享元
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
• 给工厂类提供一个获取形状的方法

public class BoxFactory {

    private final HashMap<String,AbstractBox> map;

    //在构造方法中进行初始化操作
    private BoxFactory() {
        map = new HashMap<>();
        map.put("I",new IBox());
        map.put("L",new LBox());
        map.put("O",new OBox());
    }

    //提供一个方法获取该工厂类对象
    public static BoxFactory getInstance() {
        return factory;
    }

    private static final BoxFactory factory = new BoxFactory();

    //根据名称获取图形对象
    public AbstractBox getShape(String name) {
        return map.get(name);
    }
}

• 客户端

//客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractBox iBox = BoxFactory.getInstance().getShape("I");
        iBox.display("灰色");

        AbstractBox iBox2 = BoxFactory.getInstance().getShape("I");
        iBox2.display("蓝色");

        System.out.println(iBox == iBox2); // true
    }
}

4、优缺点和使用场景

优点

• 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
• 享元模式中的外部状态相对独立，且不影响内部状态

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

使用场景

• 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

5、JDK源码解析

• Integer类使用了享元模式

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)); // true

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;
        System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4)); // false
    }
}

• 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？
• 通过反编译软件进行反编译，代码如下：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = Integer.valueOf((int)127);
        Integer i2 = Integer.valueOf((int)127);
        
        System.out.println((String)new StringBuilder()
        .append((String)"i1\u548ci2\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f")
        .append((boolean)(i1 == i2)).toString());
        
        Integer i3 = Integer.valueOf((int)128);
        Integer i4 = Integer.valueOf((int)128);
        
        System.out.println((String)new StringBuilder()
       .append((String)"i3\u548ci4\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f")
       .append((boolean)(i3 == i4)).toString());
    }
}

• 上面代码可以看到，直接给Integer类型的变量赋值基本数据类型数据的操作底层使用的是 valueOf() ，所以只需要看该方法即可

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
    
	public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    
    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                }
            }
            high = h;
            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);
            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high >= 127;
        }

        private IntegerCache() {}
    }
}

• 可以看到 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