【设计模式】享元模式（Flyweight Pattern）

享元模式属于结构型模式，主要解决系统需要使用大量相似对象（细粒度对象）而消耗大量内存资源的问题。享元模式运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象，其通过提取对象共同的信息抽象出享元对象，实现共享功能，以此进行一个对象的多次复用，本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

享元模式的介绍

享元模式（Flyweight Pattern）又被称作轻量级模式、蝇量模式，它经典的体现就是对象池。享元模式的根本目的就是"共享单元"，让对象能够共享复用，就像共享单车一样，路人甲（客户程序A）骑完路人丙（客户程序B）用，以此减少内存占用。

享元模式将对象的信息分为内部状态与外部状态：内部状态是存在于享元对象内部的，不会随环境变化而改变的共享信息；外部状态是无法共享的信息，随环境改变而改变，是由调用者传入享元对象中的信息。使用享元模式时需要创建一个工厂（池）对象并持有一个HashMap集合来管理这些享元对象。不同的调用者通过唯一标识（key）获取指定的享元对象来达到共享的功能。

优点

• 大大减少对象的创建，降低系统的内存，使效率提高

缺点

• 提高了系统的复杂度，需要分离出内部状态和外部状态
• 注意划分外部状态和内部状态，否则可能会引起线程安全问题

应用场景

• 当系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源时
• 当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多出需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，降低大量内存空间的消耗
• 字符串常量池、线程池、缓冲池等池技术
• 常用于系统底层开发，解决系统的性能问题：如数据库连接池，池中是创建好的连接对象，若池中有符合需求的对象时直接用，避免重新创建；若池中没有符合需求的，则创建一个
• Integer类中，如果目标值在-128～127之间，则直接从缓存中取值，因为在-128～127之间的数据在int范围内是使用最频繁的，为了节省频繁创建对象带来的内存损耗，这就使用了享元对象

享元模式的使用

举例：现在我要在屏幕上画圆，圆有红、黄、蓝、绿、黑五种颜色，大概要画三十个，那就要建三十个对象，但此时可以使用享元模式设计程序结构，我们将圆的颜色抽取为内部属性，而坐标则是外部属性，由客户程序决定，随后通过图形工厂管理享元对象，相同颜色的圆可以进行复用。

类图

四种角色

• 抽象享元（Flyweight）角色：是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入。

• 具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。

• 非享元（Unsharable Flyweight)角色：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中。

• 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。

此类图中存在一个线程安全问题，也就是半径属性，此属性需要通过客户程序给出，但又属于享元对象的内部属性，当在多线程下，一个线程修改了半径属性，其他线程中的享元对象的该属性也会改变。这也就是上文所说的注意划分外部状态和内部状态，否则可能会引起线程安全问题。解决方法：可以将半径属性去除，在绘画方法中添加面积参数，这样就得到了外部属性面积，而半径可以通过面积与π得出。

实现方法

第一步，编写非享元

坐标类

package 设计模式.结构型模式.享元模式;

/**
 * 非享元角色，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中
 */
public class 坐标类 {
    private Double 坐标x, 坐标y;

    public 坐标类(Double 坐标x, Double 坐标y) {
        this.坐标x = 坐标x;
        this.坐标y = 坐标y;
    }

    public Double 获取坐标x() {
        return 坐标x;
    }

    public Double 获取坐标y() {
        return 坐标y;
    }
}

第二步，编写抽象享元

图形类

package 设计模式.结构型模式.享元模式;

/**
 * 抽象享元角色，是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入
 */
public interface 图形类 {
    void 绘画(坐标类 坐标);
}

第三步，编写具体享元

圆形类

package 设计模式.结构型模式.享元模式;

/**
 * 具体享元角色，实现抽象享元角色中所规定的接口
 */
public class 圆形类 implements 图形类{

    private String 颜色;
    private Double 半径; // 此内部属性在多线程中会引起线程安全问题

    public 圆形类(String 颜色) {
        this.颜色 = 颜色;
    }

    /*
        此属性需要通过客户程序给出，但又属于享元对象的内部属性，当在多线程下，一个线程修改了`半径`属性，其他线程中的享元对象的该属性也会改变
        解决办法:可以将"半径"属性去除，在绘画方法中添加"面积"参数，这样就得到了外部属性"面积"，而半径可以通过面积与π得出
     */
    public void 设置半径(Double 半径) {
        this.半径 = 半径;;
    }

    @Override
    public void 绘画(坐标类 坐标) {
        // .2f 保留小数点后两位
        System.out.printf("【%s】圆形：坐标(%.2f,%.2f) 半径%.2f \n",颜色,坐标.获取坐标x(),坐标.获取坐标y(),半径);
    }
}

第四步，编写享元工厂

图形工厂类

package 设计模式.结构型模式.享元模式;


import java.util.HashMap;

public class 图形工厂类 {

    private static HashMap<String, 图形类> 图形集合 = new HashMap<>() ;

    private 图形工厂类(){}

    public static 图形类 获取图形(String 颜色){
        图形类 图形 = 图形集合.get(颜色);
        // 如果图形集合中没有该共享对象的原型，则创建一个
        if (图形 == null){
            图形 = new 圆形类(颜色);
            图形集合.put(颜色, 图形);
        }
        return 图形;
    }
}

第五步，编写客户程序测试

客户程序类

package 设计模式.结构型模式.享元模式;

public class 客户程序类 {

    private static final String[] 颜色列表 = new String[]{"红","黄","蓝","绿","黑"};

    public static void main(String[] args) {
		// 创建30
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            坐标类 随机坐标 = new 坐标类(Math.random()*100, Math.random() * 100);
            圆形类 圆形 = (圆形类) 图形工厂类.获取图形(获取随机颜色());
            圆形.设置半径(Math.random()*100);
            圆形.绘画(随机坐标);
        }
    }

    private static String 获取随机颜色(){
        return 颜色列表[(int) (Math.random()*颜色列表.length)];
    }

}

测试结果

【绿】圆形：坐标(83.22,92.62) 半径38.38 
【红】圆形：坐标(72.57,95.39) 半径96.26 
【黑】圆形：坐标(18.29,22.11) 半径33.26 
【黑】圆形：坐标(48.28,32.95) 半径9.79 
【黑】圆形：坐标(25.65,91.99) 半径21.51 
【黄】圆形：坐标(92.08,18.76) 半径48.55 
【黑】圆形：坐标(35.10,20.12) 半径0.53 
【黄】圆形：坐标(57.73,99.47) 半径90.03 
【黑】圆形：坐标(3.87,75.13) 半径41.67 
【蓝】圆形：坐标(46.09,78.58) 半径71.46 
【黑】圆形：坐标(73.91,44.40) 半径51.43 
【黄】圆形：坐标(30.00,48.53) 半径8.46 
【黑】圆形：坐标(29.40,99.16) 半径93.00 
【红】圆形：坐标(62.56,35.63) 半径93.06 
【蓝】圆形：坐标(26.88,44.36) 半径62.43 
【黑】圆形：坐标(53.38,58.30) 半径77.71 
【黄】圆形：坐标(95.18,66.50) 半径38.43 
【黄】圆形：坐标(22.78,23.79) 半径76.93 
【黑】圆形：坐标(27.47,17.04) 半径50.00 
【黄】圆形：坐标(68.51,14.11) 半径43.27 
【黑】圆形：坐标(12.65,94.49) 半径31.03 
【红】圆形：坐标(4.87,36.21) 半径99.06 
【绿】圆形：坐标(78.40,12.93) 半径56.09 
【黄】圆形：坐标(58.96,37.03) 半径30.91 
【黑】圆形：坐标(43.07,69.88) 半径76.29 
【黄】圆形：坐标(33.85,8.76) 半径78.20 
【蓝】圆形：坐标(98.77,51.53) 半径99.75 
【绿】圆形：坐标(73.40,34.64) 半径72.56 
【绿】圆形：坐标(72.90,37.99) 半径85.42 
【蓝】圆形：坐标(88.49,50.77) 半径9.74 

Process finished with exit code 0

本文参考

享元模式 (菜鸟教程)

26 设计模式——享元模式（详解版）(知乎)

享元模式详解 (csdn)

享元模式 (博客园)

五分钟学设计模式.14.享元模式 (哔哩哔哩)