Java设计模式 —— 【结构型模式】享元模式（Flyweight Pattern） 详解

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概述

• 享元模式也叫蝇量模式：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象；

• 常用于系统底层开发，解决系统的性能问题。像数据库连接池，里面都是创建好的连接对象，在这些连接对象中有我们需要的则直接拿来用，避免重新创建，如果没有我们需要的，则创建一个；

• 享元模式能够解决重复对象的内存浪费的问题，当系统中有大量相似对象，需要缓冲池时。不需总是创建新对象，可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率；

• 享元模式经典的应用场景就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，享元模式是池技术的重要实现方式。

定义：

享元模式是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。

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结构

享元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（Flyweight）角色： 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。
  

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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：将图形的相同形状的看做共享部分(内部状态)，不同的颜色看做非共享部分(外部状态)

UML类图如下：

【抽象享元角色】：

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。

public abstract class AbstractBox {public abstract String getShape();public void display(String color) {System.out.println("方块形状：" + this.getShape() + " 颜色：" + color);}
}

【具体享元角色】：

定义不同的形状了，IBox类、LBox类、OBox类等。

public class IBox extends AbstractBox {@Overridepublic String getShape() {return "I";}
}public class LBox extends AbstractBox {@Overridepublic String getShape() {return "L";}
}public class OBox extends AbstractBox {@Overridepublic String getShape() {return "O";}
}

【享元工厂角色】：

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。

public class BoxFactory {private static Map<String, AbstractBox> map;private BoxFactory() {map = new HashMap<String, AbstractBox>();AbstractBox iBox = new IBox();AbstractBox lBox = new LBox();AbstractBox oBox = new OBox();map.put("I", iBox);map.put("L", lBox);map.put("O", oBox);}public static final BoxFactory getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}private static class SingletonHolder {private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory();}public AbstractBox getBox(String key) {return map.get(key);}
}

测试：

public class Client {public static void main(String[] args) {AbstractBox iBox = BoxFactory.getInstance().getBox("I");iBox.display("灰色");AbstractBox lBox = BoxFactory.getInstance().getBox("L");lBox.display("绿色");AbstractBox oBox1 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");oBox1.display("灰色");AbstractBox oBox2 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");oBox2.display("红色");System.out.println("oBox1.hashCode(): " + oBox1.hashCode());System.out.println("oBox2.hashCode(): " + oBox2.hashCode());System.out.println("两次获取到的O图形是否是同一个对象：" + (oBox1 == oBox2));}
}

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优缺点及使用场景

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。