简说设计模式——享元模式
简说设计模式——享元模式
一、什么是享元模式
说到享元模式，第一个想到的应该就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，所以说享元模式是池技术的重要实现方式。
比如我们每次创建字符串对象时，都需要创建一个新的字符串对象的话，内存开销会很大，所以如果第一次创建了字符串对象“adam“，下次再创建相同的字符串”adam“时，只是把它的引用指向”adam“，这样就实现了”adam“字符串再内存中的共享。
举个最简单的例子，网络联机下棋的时候，一台服务器连接了多个客户端（玩家），如果我们每个棋子都要创建对象，那一盘棋可能就有上百个对象产生，玩家多点的话，因为内存空间有限，一台服务器就难以支持了，所以这里要使用享元模式，将棋子对象减少到几个实例。下面给出享元模式的定义。
享元模式（Flyweight），运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。UML结构图如下：
其中，Flyweight是抽象享元角色。它是产品的抽象类，同时定义出对象的外部状态和内部状态（外部状态及内部状态相关内容见后方）的接口或实现；ConcreteFlyweight是具体享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义的业务；UnsharedConcreteFlyweight是不可共享的享元角色，一般不会出现在享元工厂中；FlyweightFactory是享元工厂，它用于构造一个池容器，同时提供从池中获得对象的方法。
1. Flyweight抽象类
所有具体享元类的超类或接口，通过这个接口，Flyweight可以接受并作用于外部状态。
1 public abstract class Flyweight { 2 3 //内部状态 4 public String intrinsic; 5 //外部状态 6 protected final String extrinsic; 7 8 //要求享元角色必须接受外部状态 9 public Flyweight(String extrinsic) { 10 this.extrinsic = extrinsic; 11 } 12 13 //定义业务操作 14 public abstract void operate(int extrinsic); 15 16 public String getIntrinsic() { 17 return intrinsic; 18 } 19 20 public void setIntrinsic(String intrinsic) { 21 this.intrinsic = intrinsic; 22 } 23 24 }
2. ConcreteFlyweight类
继承Flyweight超类或实现Flyweight接口，并为其内部状态增加存储空间。
1 public class ConcreteFlyweight extends Flyweight { 2 3 //接受外部状态 4 public ConcreteFlyweight(String extrinsic) { 5 super(extrinsic); 6 } 7 8 //根据外部状态进行逻辑处理 9 @Override 10 public void operate(int extrinsic) { 11 System.out.println("具体Flyweight:" + extrinsic); 12 } 13 14 }
3. UnsharedConcreteFlyweight类
指那些不需要共享的Flyweight子类。
1 public class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight { 2 3 public UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsic) { 4 super(extrinsic); 5 } 6 7 @Override 8 public void operate(int extrinsic) { 9 System.out.println("不共享的具体Flyweight:" + extrinsic); 10 } 11 12 }
4. FlyweightFactory类
一个享元工厂，用来创建并管理Flyweight对象，主要是用来确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例或创建一个实例。
1 public class FlyweightFactory { 2 3 //定义一个池容器 4 private static HashMap<String, Flyweight> pool = new HashMap<>(); 5 6 //享元工厂 7 public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) { 8 Flyweight flyweight = null; 9 10 if(pool.containsKey(extrinsic)) { //池中有该对象 11 flyweight = pool.get(extrinsic); 12 System.out.print("已有 " + extrinsic + " 直接从池中取---->"); 13 } else { 14 //根据外部状态创建享元对象 15 flyweight = new ConcreteFlyweight(extrinsic); 16 //放入池中 17 pool.put(extrinsic, flyweight); 18 System.out.print("创建 " + extrinsic + " 并从池中取出---->"); 19 } 20 21 return flyweight; 22 } 23 }
5. Client客户端
1 public class Client { 2 3 public static void main(String[] args) { 4 int extrinsic = 22; 5 6 Flyweight flyweightX = FlyweightFactory.getFlyweight("X"); 7 flyweightX.operate(++ extrinsic); 8 9 Flyweight flyweightY = FlyweightFactory.getFlyweight("Y"); 10 flyweightY.operate(++ extrinsic); 11 12 Flyweight flyweightZ = FlyweightFactory.getFlyweight("Z"); 13 flyweightZ.operate(++ extrinsic); 14 15 Flyweight flyweightReX = FlyweightFactory.getFlyweight("X"); 16 flyweightReX.operate(++ extrinsic); 17 18 Flyweight unsharedFlyweight = new UnsharedConcreteFlyweight("X"); 19 unsharedFlyweight.operate(++ extrinsic); 20 } 21 22 }
运行结果如下：
从这个结果我们可以看出来，第一次创建X、Y、Z时，都是先创建再从池中取出，而第二次创建X时，因为池中已经存在了，所以直接从池中取出，这就是享元模式。
二、内部状态和外部状态
上面享元模式的定义为我们提出了两个要求：细粒度和共享对象。我们知道分配太多的对象到应用程序中将有损程序的性能，同时还容易造成内存溢出，要避免这种情况，用到的就是共享技术，这里就需要提到内部状态和外部状态了。
因为要求细粒度对象，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。
内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部并且不会随环境的改变而改变；外部状态指对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。
我们举一个最简单的例子，棋牌类游戏大家都有玩过吧，比如说说围棋和跳棋，它们都有大量的棋子对象，围棋和五子棋只有黑白两色，跳棋颜色略多一点，但也是不太变化的，所以棋子颜色就是棋子的内部状态；而各个棋子之间的差别就是位置的不同，我们落子嘛，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以方位坐标就是棋子的外部状态。
那么为什么这里要用享元模式呢？可以想象一下，上面提到的棋类游戏的例子，比如围棋，理论上有361个空位可以放棋子，常规情况下每盘棋都有可能有两三百个棋子对象产生，因为内存空间有限，一台服务器很难支持更多的玩家玩围棋游戏，如果用享元模式来处理棋子，那么棋子对象就可以减少到只有两个实例，这样就很好的解决了对象的开销问题。
三、享元模式的应用
1. 何时使用
- 系统中有大量对象时
- 这些对象消耗大量内存时
- 这些对象的状态大部分可以外部化时
2. 方法
- 用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象，用HashMap/HashTable存储
3. 优点
- 大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率
4. 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，而外部状态具有固化特性，不应该随着内部状态的改变而改变
5. 使用场景
- 系统中存在大量相似对象
- 需要缓冲池的场景
6. 应用实例
- String常量池
- 数据库连接池
7. 注意事项
- 注意划分内部状态和外部状态，否则可能会引起线程安全问题
- 这些类必须有一个工厂类加以控制
四、享元模式的实现
应用实例的话，其实上面的模板就已经是一个很好的例子了，类似于String常量池，没有的对象创建后存在池中，若池中存在该对象则直接从池中取出。
为了更好的理解享元模式，这里再举一个实例，比如接了我一个小型的外包项目，是做一个产品展示网站，后来他的朋友们也希望做这样的网站，但要求都有些不同，我们当然不能直接复制粘贴再来一份，有任希望是新闻发布形式的，有人希望是博客形式的等等，而且因为经费原因不能每个网站租用一个空间。
其实这里他们需要的网站结构相似度很高，而且都不是高访问量网站，如果分成多个虚拟空间来处理，相当于一个相同网站的实例对象很多，这是造成服务器的大量资源浪费。如果整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，那么对于硬盘、内存、CPU、数据库空间等服务器资源都可以达成共享，减少服务器资源；而对于代码，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易。
那么此时就可以用到享元模式了。UML图如下：
1. 网站抽象类
1 public abstract class WebSite { 2 3 public abstract void use(); 4 5 }
2. 具体网站类
1 public class ConcreteWebSite extends WebSite { 2 3 private String name = ""; 4 5 public ConcreteWebSite(String name) { 6 this.name = name; 7 } 8 9 @Override 10 public void use() { 11 System.out.println("网站分类：" + name); 12 } 13 14 }
3. 网络工厂类
这里使用HashMap来作为池，通过put和get方法实现加入池与从池中取的操作。
1 public class WebSiteFactory { 2 3 private HashMap<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>(); 4 5 //获得网站分类 6 public WebSite getWebSiteCategory(String key) { 7 if(!pool.containsKey(key)) { 8 pool.put(key, new ConcreteWebSite(key)); 9 } 10 11 return (WebSite)pool.get(key); 12 } 13 14 //获得网站分类总数 15 public int getWebSiteCount() { 16 return pool.size(); 17 } 18 19 }
4. Client客户端
这里测试用例给了两种网站，原先我们需要做三个产品展示和三个博客的网站，也即需要六个网站类的实例，但其实它们本质上都是一样的代码，可以利用用户ID号的不同，来区分不同的用户，具体数据和模板可以不同，但代码核心和数据库却是共享的。
1 public class Client { 2 3 public static void main(String[] args) { 4 WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory(); 5 6 WebSite fx = factory.getWebSiteCategory("产品展示"); 7 fx.use(); 8 9 WebSite fy = factory.getWebSiteCategory("产品展示"); 10 fy.use(); 11 12 WebSite fz = factory.getWebSiteCategory("产品展示"); 13 fz.use(); 14 15 WebSite fa = factory.getWebSiteCategory("博客"); 16 fa.use(); 17 18 WebSite fb = factory.getWebSiteCategory("博客"); 19 fb.use(); 20 21 WebSite fc = factory.getWebSiteCategory("博客"); 22 fc.use(); 23 24 System.out.println("网站分类总数为：" + factory.getWebSiteCount()); 25 } 26 27 }
运行结果如下：
可以看出，虽然我们做了6个网站，但网站分类只有2个。但这里没有体现对象间的不同，只体现了它们的共享部分，所以我们再加一个用户类，作为网站类的外部状态，并在use()方法中传递用户对象，代码如下：
5. 用户类
public class User { private String name; public User(String name) { this.name = name; } public String getName() { return name; } }
然后再对use()方法进行修改，添加参数，以抽象类为例： public abstract void use(User user);
而客户端中只需对每一个网站添加一个用户即可，如： fx.use(new User(“adam”));
（具体内容可参考源码，源码地址见最下方）
运行结果如下：
这样就可以协调内部与外部状态，哪怕接手了上千个网站的需求，只要要求相同或类似，实际开发代码也就是分类的哪几种。