设计模式-享元模式

设计模式专栏

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模式介绍

享元模式是一种软件设计模式，它使用共享对象来减少内存使用量，并分享信息给尽可能多的相似对象。这种模式适用于大量对象导致内存使用不可接受的情况，其中对象的部分状态可以共享。

享元模式的实现通常包括两个主要部分：内部状态和外部状态。内部状态是对象本身的状态，而外部状态是与对象共享的状态。享元模式通过将共享状态提取到外部数据结构中，并在需要时将其传递给享元对象，从而实现了对象的共享。

享元模式的优点在于它可以大大减少对象的创建，降低系统的内存占用，提高效率。然而，这种模式也增加了系统的复杂度，因为需要分离出外部状态和内部状态，并且外部状态具有固有化的性质，不应随着内部状态的变化而变化。

享元模式的适用场景包括系统中有大量相似对象、这些对象消耗大量内存、这些对象的状态大部分可以外部化、这些对象可以按照内蕴状态分为很多组，当把外蕴对象从对象中剔除出来时，每一组对象都可以用一个对象来代替，以及系统不依赖于这些对象身份，这些对象是不可分辨的情况。

模式特点

享元模式的优点主要包括：

1. 减少内存中对象的数量，节约系统资源，提高系统性能。
2. 享元模式的外部状态相对独立，不会影响其内部状态，使得享元对象可以在不同的环境中被共享。
3. 享元模式可以使得代码更加简洁，易于维护和扩展。

享元模式的缺点主要包括：

1. 享元模式使得系统变得复杂，需要分离出内部状态和外部状态，这使得程序的逻辑复杂化。
2. 为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的部分状态外部化，而读取外部状态将使得运行时间变长。
3. 在某些情况下，享元模式可能会牺牲部分内存以换取性能的提升。
4. 享元对象通常是不可变的对象，可能会对系统中的某些业务逻辑造成影响。

应用场景

享元模式在以下场景下使用最合适：

1. 当系统中有大量相似对象，需要缓冲池的场景。这种情况下，享元模式可以有效地减少对象的创建，降低内存中对象的数量，从而提高系统的性能和可扩展性。
2. 当对象的部分状态可以共享时，享元模式可以提取出共享状态，并在需要时将其传递给享元对象，从而实现对象的共享。这种情况下，享元模式可以有效地节约系统资源，并提高系统的性能。
3. 在需要处理大量数据的系统中，可能会存在大量的重复对象，例如图像处理中的像素等。这种情况下，享元模式可以有效地减少对象的数量，降低系统的内存占用，提高效率。
4. 当一些细粒度的对象（如字符串）被大量使用时，也可以考虑使用享元模式。例如，在文本编辑器中，相同的字符串可能会被多次使用，通过享元模式可以避免重复创建相同的字符串对象，提高系统性能。

然而，需要注意的是，享元模式并不适用于所有情况。在以下情况下，可能需要避免使用享元模式：

1. 当对象的状态变化比较频繁时，享元模式可能会导致大量的状态切换和更新操作，从而影响系统的性能。
2. 当系统中存在大量不相似对象时，享元模式可能无法发挥优势，甚至可能导致更多的内存占用和性能下降。
3. 当需要区分对象身份时，享元模式可能不适用。因为享元模式是通过共享状态来减少对象数量的，如果需要区分对象身份，则需要为每个对象创建不同的状态，这将导致更多的内存占用和性能下降。

综上所述，享元模式适用于具有大量相似对象、需要缓冲池、部分状态可以共享、处理大量数据等场景。在具体使用时需要根据实际情况进行权衡和选择。同时需要注意享元模式的优缺点和使用条件，以避免不必要的问题和风险。

工厂模式和享元模式的区别

工厂模式和享元模式都是常见的软件设计模式，它们在实现方式、目标和适用场景等方面存在一些区别。

1.实现方式 ：

* 工厂模式主要是通过创建一个工厂类来负责创建其他类的实例，这个工厂类会根据传入的参数或者其他条件来选择合适的类进行实例化，并返回相应的实例。
* 享元模式则是通过共享技术来有效地支持大量细粒度的对象。享元对象可以做到共享是因为它们没有可修改的状态，只有内部状态和外部状态之分。享元模式同样要求创建一个或一组对象，并且就是通过工厂方法生成对象的，只不过享元模式中为工厂方法增加了缓存这一功能。

2. 目标 ：

   • 工厂模式的目标是创建，工厂负责从一堆使用方式相同的产品中实例化出一个用户想要的产品实例，后续产品实例的维护使用它就不管了，并且工厂模式更偏向于产品类级别上的划分。
   • 享元模式的目标是使用，工厂负责创建维护一个对象池，目标是后续维护中实现对对象的复用，而创建这些享元对象只是维护中的一部分，并且享元模式更偏向于对象级别上的划分，即使这个对象池中的所有对象都是一个类实例化出来的，享元工厂也能按不同的属性对他们进行分类维护。

3. 适用场景 ：

   • 工厂模式适用于需要创建一系列相似对象的情况，可以根据传入的参数或者其他条件来选择合适的类进行实例化。
   • 享元模式适用于具有大量相似对象、需要缓冲池、部分状态可以共享、处理大量数据等场景。

4. 其他区别 ：

   • 在多线程环境下，享元模式需要考虑线程安全问题，而工厂模式则相对较少考虑这方面的问题。
   • 享元模式更注重对象的复用和共享，以节约系统资源，而工厂模式更注重对象的创建和实例化。

工厂模式和享元模式在实现方式、目标和适用场景等方面存在一些区别。在具体使用时需要根据实际情况进行权衡和选择。

代码示例

Java实现享元模式

以下是Java实现享元模式的代码示例：

// 享元接口
interface Flyweight {
    void operation(String state);
}

// 具体享元类
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String state;

    public ConcreteFlyweight(String state) {
        this.state = state;
    }

    @Override
    public void operation(String state) {
        System.out.println("ConcreteFlyweight operation: " + state);
    }
}

// 享元工厂类
class FlyweightFactory {
    private static Map<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>();

    public static Flyweight getFlyweight(String state) {
        Flyweight flyweight = flyweights.get(state);
        if (flyweight == null) {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(state);
            flyweights.put(state, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
        Flyweight flyweight1 = factory.getFlyweight("state1");
        flyweight1.operation("state1"); // 输出 "ConcreteFlyweight operation: state1"
        Flyweight flyweight2 = factory.getFlyweight("state2");
        flyweight2.operation("state2"); // 输出 "ConcreteFlyweight operation: state2"
        Flyweight flyweight3 = factory.getFlyweight("state1"); // 返回已经创建过的实例，复用对象
        flyweight3.operation("state1"); // 输出 "ConcreteFlyweight operation: state1"，不会创建新的实例
    }
}

在这个示例中，Flyweight 是享元接口，ConcreteFlyweight 是具体享元类，实现了 Flyweight 接口。FlyweightFactory 是享元工厂类，负责创建和管理享元对象。在客户端代码中，通过 FlyweightFactory 获取享元对象，并调用其 operation 方法。如果已经创建过相同状态的享元对象，则返回已经创建过的实例，实现对象的复用。

python实现享元模式

享元模式是一种结构型设计模式，它通过共享技术有效地支持大量细粒度的对象，以降低系统内存消耗并提高系统性能。以下是一个Python实现享元模式的代码示例：

# 享元接口
class FlyweightInterface:
    def operation(self):
        pass

# 具体享元类
class ConcreteFlyweight(FlyweightInterface):
    def operation(self):
        print("ConcreteFlyweight operation")

# 享元工厂类
class FlyweightFactory:
    _flyweights = {}

    @staticmethod
    def get_flyweight(state):
        if state not in FlyweightFactory._flyweights:
            FlyweightFactory._flyweights[state] = ConcreteFlyweight()
        return FlyweightFactory._flyweights[state]

# 客户端代码
if __name__ == "__main__":
    factory = FlyweightFactory()
    flyweight1 = factory.get_flyweight("state1")
    flyweight1.operation()
    flyweight2 = factory.get_flyweight("state2")
    flyweight2.operation()
    flyweight3 = factory.get_flyweight("state1")
    flyweight3.operation() # 复用对象，不会创建新的实例

在这个示例中，FlyweightInterface 是享元接口，ConcreteFlyweight 是具体享元类，实现了 FlyweightInterface 接口。FlyweightFactory 是享元工厂类，负责创建和管理享元对象。在客户端代码中，通过 FlyweightFactory 获取享元对象，并调用其 operation 方法。如果已经创建过相同状态的享元对象，则返回已经创建过的实例，实现对象的复用。

享元模式在spring中的应用

享元模式在Spring框架中的应用主要体现在两个方面：

1. 缓存享元对象：Spring框架提供了缓存机制，可以将享元对象缓存起来，避免重复创建相同的对象。当需要使用享元对象时，先从缓存中获取，如果缓存中没有，则创建新的享元对象并将其放入缓存中。这样可以减少对象的创建和销毁次数，提高系统的性能。
2. 使用Spring AOP实现享元模式：Spring AOP是Spring框架中的面向切面编程技术，可以用来实现享元模式。通过AOP，可以将享元对象的创建和使用过程进行封装，使得代码更加清晰和易于维护。同时，AOP还可以提供更好的安全性和扩展性，使得享元模式的应用更加灵活和广泛。

享元模式在Spring框架中的应用可以提高系统的性能和可扩展性，使得代码更加清晰和易于维护。