Gof23设计模式之享元模式

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.结构

享元（Flyweight ）模式中存在以下两种状态：

1. 内部状态，即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
2. 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.案例实现

下面的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。

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。

/**
 * @author 晓风残月Lx
 * @date 2023/7/13 0:10
 *      抽象享元角色
 */
public abstract class AbstractBox {

    // 获取图形的方法
    public abstract String getShape();

    // 显示图形及颜色
    public void display(String color) {
        System.out.println("方块形状：" + getShape() + "，方块颜色：" + color);
    }
}

接下来就是定义不同的形状了，IBox类、LBox类、OBox类等。

/**
 * @author 晓风残月Lx
 * @date 2023/7/13 0:13
 *      I 图形类（具体享元角色）
 */
public class IBow extends AbstractBox {

    @Override
    public String getShape() {
        return "I";
    }
}


/**
 * @author 晓风残月Lx
 * @date 2023/7/13 0:13
 *      L图形类（具体享元角色）
 */
public class LBow extends AbstractBox {

    @Override
    public String getShape() {
        return "L";
    }
}


/**
 * @author 晓风残月Lx
 * @date 2023/7/13 0:13
 *      O图形类（具体享元角色）
 */
public class OBow 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。

import java.util.HashMap;

/**
 * @author 晓风残月Lx
 * @date 2023/7/13 0:16
 *      享元工厂   设计为单例
 */
public class BoxFactory {

    private HashMap<String, AbstractBox> map;

    private static BoxFactory boxFactory = new BoxFactory();

    // 初始化
    private BoxFactory() {
        map = new HashMap<String, AbstractBox>();
        map.put("I", new IBow());
        map.put("L", new LBow());
        map.put("O", new OBow());
    }

    // 获取单例对象
    public static BoxFactory getInstance() {
        return boxFactory;
    }

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

}

测试类

/**
 * @author 晓风残月Lx
 * @date 2023/7/13 0:20
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        // 获取I图形对象
        AbstractBox l = BoxFactory.getInstance().getShape("L");
        l.display("蓝色");

        AbstractBox o = BoxFactory.getInstance().getShape("O");
        o.display("黄色");

        AbstractBox o1 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");
        o1.display("红色");

        System.out.println("是否同一对象:" + (o == o1));
    }
}

4.优缺点和使用场景

1，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

2，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

3，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。在Integer类中维护了一个IntegerCache类，在valueOf方法中可以看到 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。