【设计模式自习室】享元模式 Flyweight Pattern：减少对象数量

前言

《设计模式自习室》系列，顾名思义，本系列文章带你温习常见的设计模式。主要内容有：

• 该模式的介绍，包括：
  • 引子、意图（大白话解释）
  • 类图、时序图（理论规范）
• 该模式的代码示例：熟悉该模式的代码长什么样子
• 该模式的优缺点：模式不是万金油，不可以滥用模式
• 该模式的应用案例：了解它在哪些重要的源码中被使用

结构型——享元模式 Flyweight Pattern

引子

主要用于减少创建对象的数量,以减少内存占用和提高性能。

在享元模式中通常会出现工厂模式，需要创建一个享元工厂来负责维护一个享元池(Flyweight Pool)用于存储具有相同内部状态的享元对象。

最经典的享元模式代码:

class FlyweightFactory {

    //定义一个HashMap用于存储享元对象，实现享元池
    private HashMap flyweights = newHashMap();
    
    public Flyweight getFlyweight(String key){
    
        //如果对象存在，则直接从享元池获取
        if(flyweights.containsKey(key)){
            return(Flyweight)flyweights.get(key);
        }
        
        //如果对象不存在，先创建一个新的对象添加到享元池中，然后返回
        else {
            Flyweight fw = newConcreteFlyweight();
            flyweights.put(key,fw);
            return fw;
        }
    }
}

定义

运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象，而这些对象都很相似，状态变化很小，可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象，因此它又称为轻量级模式，它是一种对象结构型模式。

两个概念：

• 内部状态：在享元对象内部不随外界环境改变而改变的共享部分。
• 外部状态：随着环境的改变而改变，不能够共享的状态就是外部状态。

在享元类中要将内部状态和外部状态分开处理，通常将内部状态作为享元类的成员变量，而外部状态通过注入的方式添加到享元类中。

类图

如果看不懂UML类图，可以先粗略浏览下该图，想深入了解的话，可以继续谷歌，深入学习：

image

享元模式包含如下角色：

• Flyweight: 抽象享元类
• ConcreteFlyweight: 具体享元类
• UnsharedConcreteFlyweight: 非共享具体享元类
• FlyweightFactory: 享元工厂类

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时序图

时序图（Sequence Diagram）是显示对象之间交互的图，这些对象是按时间顺序排列的。时序图中显示的是参与交互的对象及其对象之间消息交互的顺序。

我们可以大致浏览下时序图，如果感兴趣的小伙伴可以去深究一下：

image

代码实现

代码参考：

https://www.cnblogs.com/chenssy/p/3330555.html

假设：我们有一个绘图的应用程序，通过它我们可以出绘制各种各样的形状、颜色的图形，那么这里形状和颜色就是内部状态了，通过享元模式我们就可以实现该属性的共享了。

抽象享元类Flyweight：绘制图像的抽象方法

public abstract class Shape {
    public abstract void draw();
}

具体享元类ConcreteFlyweight：例子中则是一种绘制某种图像（圆形）的具体实现类，里面的颜色则是一个可以共享的内部对象。

public class Circle extends Shape{
    private String color;
    public Circle(String color){
        this.color = color;
    }

    public void draw() {
        System.out.println("画了一个" + color +"的圆形");
    }
    
}

享元工厂类FlyweightFactory：

利用了HashMap保存已经创建的颜色

public class FlyweightFactory{
    static Map shapes = new HashMap();
    
    public static Shape getShape(String key){
        Shape shape = shapes.get(key);
        //如果shape==null,表示不存在,则新建,并且保持到共享池中
        if(shape == null){
            shape = new Circle(key);
            shapes.put(key, shape);
        }
        return shape;
    }
    
    public static int getSum(){
        return shapes.size();
    }
}

客户端调用：

调用相同颜色时，会直接从HashMap中取那个颜色的对象，而不会重复创建相同颜色的对象。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Shape shape1 = FlyweightFactory.getShape("红色");
        shape1.draw();
        
        Shape shape2 = FlyweightFactory.getShape("灰色");
        shape2.draw();
        
        Shape shape3 = FlyweightFactory.getShape("绿色");
        shape3.draw();
        
        Shape shape4 = FlyweightFactory.getShape("红色");
        shape4.draw();
        
        Shape shape5 = FlyweightFactory.getShape("灰色");
        shape5.draw();
        
        Shape shape6 = FlyweightFactory.getShape("灰色");
        shape6.draw();
        
        System.out.println("一共绘制了"+FlyweightFactory.getSum()+"中颜色的圆形");
    }
}

使用场景举例

如果一个系统中存在大量的相同或者相似的对象，由于这类对象的大量使用，会造成系统内存的耗费，可以使用享元模式来减少系统中对象的数量。

Integer 中的享元模式

public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 12 ;
        Integer i2 = 12 ;
        System.out.println(i1 == i2);

        Integer b1 = 128 ;
        Integer b2 = 128 ;
        System.out.println(b1 == b2);
    }

输出是

true
false

在Java中，Integer是有缓存池的，缓存了-128~127的int对象

IntegerCache 缓存类：

//是Integer内部的私有静态类,里面的cache[]就是jdk事先缓存的Integer。
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;//区间的最低值
    static final int high;//区间的最高值，后面默认赋值为127，也可以用户手动设置虚拟机参数
    static final Integer cache[]; //缓存数组

    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
        //这里可以在运行时设置虚拟机参数来确定h  :-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=250
        String integerCacheHighPropValue =
            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
        if (integerCacheHighPropValue != null) {//用户设置了
            int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
            i = Math.max(i, 127);//虽然设置了但是还是不能小于127
            // 也不能超过最大值
            h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
        }
        high = h;

        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        //循环将区间的数赋值给cache[]数组
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);
    }

    private IntegerCache() {}
}

其他

同理，Long也有缓存池。

String类定义为final（不可改变的），JVM中字符串一般保存在字符串常量池中，java会确保一个字符串在常量池中只有一个拷贝，这个字符串常量池在JDK6.0以前是位于常量池中，位于永久代，而在JDK7.0中，JVM将其从永久代拿出来放置于堆中。

详细可参考：

http://laijianfeng.org/2018/09/%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%A8%A1%E5%BC%8F-%E4%BA%AB%E5%85%83%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E5%8F%8A%E5%85%B8%E5%9E%8B%E5%BA%94%E7%94%A8/

优缺点

优点

• 享元模式的优点在于它能够极大的减少系统中对象的个数。
• 享元模式由于使用了外部状态，外部状态相对独立，不会影响到内部状态，所以享元模式使得享元对象能够在不同的环境被共享。

缺点

• 由于享元模式需要区分外部状态和内部状态，使得应用程序在某种程度上来说更加复杂化了。

参考

• 《HEAD FIRST设计模式》
• https://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/structural_patterns/flyweight.html
• https://www.cnblogs.com/chenssy/p/3330555.html
• http://laijianfeng.org/2018/09/%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%A8%A1%E5%BC%8F-%E4%BA%AB%E5%85%83%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E5%8F%8A%E5%85%B8%E5%9E%8B%E5%BA%94%E7%94%A8/