黄继良

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享元模式 ​

定义 ​

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数量。避免大量相似对象创建的开销，从而提高系统资源的利用率

结构 ​

享元模式（flyweight）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：指随环境的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要区分应用中的这两种状态，并将外部状态外部化

享元模式主要有以下角色

  • 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有享元类公共的方法，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（UnShareable 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的享元类的对象时，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，享元工厂检查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

案例 ​

俄罗斯方块游戏

俄罗斯方块游戏中的方块是一个个方块，如果这些不同形状的方块都是一个实例对象，那么这些对象就要占用很多的内存空间，而且在创建的过程非常消耗系统资源。下面利用享元模式进行实现

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代码 ​

抽象享元（AbstractBox） ​

java
package com.huangjiliang.design.heima.structure.flyweight;

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);
    }

}
  • 定义共性的属性和行为

具体享元（IBox、LBox、OBox） ​

java
package com.huangjiliang.design.heima.structure.flyweight;

public class IBox extends AbstractBox{

    @Override
    public String getShape() {
        return "I";
    }
}

package com.huangjiliang.design.heima.structure.flyweight;

public class LBox extends AbstractBox{

    @Override
    public String getShape() {
        return "L";
    }
}

package com.huangjiliang.design.heima.structure.flyweight;

public class OBox extends AbstractBox{

    @Override
    public String getShape() {
        return "O";
    }
}

享元工厂（BoxFactory） ​

java
package com.huangjiliang.design.heima.structure.flyweight;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class BoxFactory {

    private static Map<String, AbstractBox> map;

    /**
     * 静态代码块初始化数据
     */
    static {
        map = new HashMap<>();
        AbstractBox iBox = new IBox();
        AbstractBox lBox = new IBox();
        AbstractBox oBox = new IBox();

        map.put("i", iBox);
        map.put("l", lBox);
        map.put("o", oBox);
    }

   public static final BoxFactory getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
   }

    /**
     * 静态内部类单例模式
     */
   private static class SingletonHolder {
        private static final BoxFactory instance = new BoxFactory();
   }

    /**
     * 获取盒子形状
     * @param key
     * @return
     */
   public AbstractBox getBox(String key) {
        return map.get(key);
   }

}
  • 享元工厂用来管理享元对象（即管理AbstractBox的子类），该工厂类对象只需要一个，所以可以使用单例模式，并给工厂提供一个获取AbstractBox的子类的方法

客户端（Client） ​

java
package com.huangjiliang.design.heima.structure.flyweight;

/**
 * 演示结构型模式-享元模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //获取I图形对象
        AbstractBox box1 = BoxFactory.getInstance().getBox("i");
        box1.display("灰色");

        //获取L图形对象
        AbstractBox box2 = BoxFactory.getInstance().getBox("l");
        box2.display("绿色");

        //获取O图形对象
        AbstractBox box3 = BoxFactory.getInstance().getBox("o");
        box3.display("灰色");

        //获取O图形对象
        AbstractBox box4 = BoxFactory.getInstance().getBox("o");
        box4.display("红色");

        System.out.println("两次获取到的O图形对象是否是同一个对象：" + (box3 == box4));
    }
}

优缺点 ​

优点 ​

  • 极大减少内存中相似或相同的数量，节约系统资源，提升系统性能

  • 享元模式中的外部状态相对独立，且不影响内部状态

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，使程序逻辑变得复杂

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用享元模式

JDK源码解析 ​

Integer类使用了享元模式

java
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;
		// true
        System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象？" + (i1 == i2));

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;
		// false
        System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4));
    }
}

问题：为什么i1和i2为true，而i3和i4为false

  1. 反编译代码

    java
    public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = Integer.valueOf((int)127);
        Integer i2 Integer.valueOf((int)127);
        System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i1\u548ci2\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i1 == i2)).toString());
        Integer i3 = Integer.valueOf((int)128);
        Integer i4 = Integer.valueOf((int)128);
        System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i3\u548ci4\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i3 == i4)).toString());
    }
}
    • 从反编译代码可以看到Integer赋值是通过Integer.valueOf()

  2. 查看Integer类下的valueOf方法

    java
    public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
    
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    
    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                }
            }
            high = h;
            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);
            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high >= 127;
        }

        private IntegerCache() {}
    }
}
    • 可以发现Integer类中有一个静态内部类IntegerCache，其创建并缓存了-128~127之间的Integer对象，当调用valueOf时，如果参数在缓存数之间，则计算下表并从缓存中返回，否则创建一个新的Integer对象