设计模式——享元模式
设计模式——享元模式
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享元模式（Flyweight Pattern）：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。在面向对象程序的设计过程中，有时需要创建大量相似的对象实例。如果都创建将会消耗很多系统资源，它是系统性能提高的一个瓶颈。但如果将这些对象的相似部分抽取出来共享，则能节约大量的系统资源，这就是享元模式的产生背景。在 Java 中 String 值的存储就使用了享元模式，相同的值只存一个。
一、基本介绍
1、享元模式（Flyweight Pattern）也叫 “蝇量模式”：运用共享技术有效地支持大量细粒度对象。 2、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过来用，避免重新创建，如果没有我们需要的，则创建一个。 3、享元模式能够解决重复对象的内存消耗问题，当系统中有大量相似对象，需要缓冲池时。不需要总创建新对象，可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率。 4、享元模式经典的应用的场景就是池技术，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。
二、享元模式的特点
享元模式的主要优点：相同对象只要保存一份，降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。 享元模式的主要缺点：为了使对象共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。需要分离出外部状态和内部状态，而且外部状态具有固有化性质，不应该随着内部状态的变化而变化，否则会造成系统的混乱。 享元模式的主要意图：运行享元模式有效地支持大量细粒度对象。 享元模式主要解决的问题：在有大量相似对象时，有可能会造成内存溢出，我们把其中共同的部分抽取出来，如果有相同的业务请求，直接返回内存中已有的对象，避免重新创建。 享元模式如何解决问题：用唯一标识码判断，如果内存中有，则返回唯一标识所标识的对象。 享元模式关键代码：用 HashMap 存储对象，key 表示唯一标识，value 为共享对象。 享元模式使用场景：1）、系统有大量相似对象。2）、需要缓冲池的场景。 享元模式注意事项：1）、注意划分外部状态和内部状态，否则可能会引起线程安全问题。2）、这些类必须有一个工厂对象加以控制。
三、内部状态和外部状态
1）、享元模式提出了两个要求：细粒度和共享对象。这里就涉及到内部状态和外部状态，既将对象的信息分为两部分：内部状态和外部状态。 2）、内部状态：指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部且不会随环境的改变而改变。 3）、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。
四、享元模式结构类图
享元模式的主要角色如下： 1）、抽象享元角色（Flyweight）：是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入。 2）、具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。 3）、非享元（Unsharalbe Flyweight）角色：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具有享元的相关方法中。 4）、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，则创建一个新的享元对象。
五、享元模式案例分析
享元模式在五子棋中的应用：包含多个内部状态 “黑” 和 “白” 颜色的棋子和外部状态 棋子的坐标 ，所以适合享元模式、
【1】抽象享元角色：棋子（ChessPieces）类包含了一个落子的方法：downPieces(Point pt)
public interface ChessPieces {
//落子方法 color:内部状态 pt：外部状态
public void downPieces(Point pt);
}【2】具体享元角色：抽象享元角色的实现类（黑子/白子 的实现类）
☛ 黑子 实现类如下：
public class BlackPieces implements ChessPieces{
@Override
public void downPieces(Point pt) {
System.out.println("当前获取到的为===黑===颜色的棋子");
System.out.println("坐标X="+pt.getX()+";Y="+pt.getY());
}
}☞ 白子 实现类如下：
public class WhitePieces implements ChessPieces{
@Override
public void downPieces(Point pt) {
System.out.println("当前获取到的为===白===颜色的棋子");
System.out.println("坐标X="+pt.getX()+";Y="+pt.getY());
}
}【3】享元工厂角色：通过内部状态，将对象进行分类存储，相同的内部状态只存一个对象即可。
public class PiecesFactory {
//存储已创建的棋子 享元模式的精华
HashMap<String, ChessPieces> pieces = new HashMap<>();
private final String WRITE = "Write";
private final String BLACK = "Black";
//创建一个静态方法 获取棋子对象
public ChessPieces getPieceInstance(String color) {
if(pieces.get(color) == null) {
if(color == WRITE) {
WhitePieces whitePieces = new WhitePieces();
pieces.put(color, whitePieces);
}else if(color == BLACK){
BlackPieces blackPieces = new BlackPieces();
pieces.put(color, blackPieces);
}else {
System.out.println("不存在的颜色");
return null;
}
}
return pieces.get(color);
}
//查看 hashmap 中总计的实例数量
public int getInstallCount() {
return pieces.size();
}
}【4】客户端应用：将内部状态传递给工厂类，外部状态传递给具体实现类。
public class Clinet {
private final static String WRITE = "Write";
private final static String BLACK = "Black";
public static void main(String[] args) {
//创建工程
PiecesFactory factory = new PiecesFactory();
//获取白色棋子
//下琪1 = 白
ChessPieces piece1 = factory.getPieceInstance(WRITE);
piece1.downPieces(new Point(1,2));
//下琪1 = 黑
ChessPieces pieceB1 = factory.getPieceInstance(BLACK);
pieceB1.downPieces(new Point(2,2));
//下琪2 = 白
ChessPieces piece2 = factory.getPieceInstance(WRITE);
piece2.downPieces(new Point(2, 3));
//下琪2 = 黑
ChessPieces pieceB2 = factory.getPieceInstance(BLACK);
pieceB2.downPieces(new Point(3,2));
//下琪3 = 白
ChessPieces piece3 = factory.getPieceInstance(WRITE);
piece3.downPieces(new Point(5, 7));
//下琪3 = 黑
ChessPieces pieceB3 = factory.getPieceInstance(BLACK);
pieceB3.downPieces(new Point(6,6));
/**
* 结果：
* 当前获取到的为===白===颜色的棋子
* 坐标X=1;Y=2
* 当前获取到的为===黑===颜色的棋子
* 坐标X=2;Y=2
* 当前获取到的为===白===颜色的棋子
* 坐标X=2;Y=3
* 当前获取到的为===黑===颜色的棋子
* 坐标X=3;Y=2
* 当前获取到的为===白===颜色的棋子
* 坐标X=5;Y=7
* 当前获取到的为===黑===颜色的棋子
* 坐标X=6;Y=6
*/
//重点是,这6颗棋子 总共创建了多少个对象
System.out.println(factory.getInstallCount());
/**
* 输入结果：2 复合享元模式的应用
*/
}
}六、享元模式 JDK-Interger 应用源码分析
【1】我们在创建 Interger 对象时，有两种方式：分别是 valueOf() 和 new 的形式，如下：我们会发现 valueOf() 创建的实例是相等的，说明使用了享元模式，下面我们就查看下其源码：
public static void main(String[] args) {
Integer x = Integer.valueOf(127); // 得到 x实例，类型 Integer
Integer y = new Integer(127); // 得到 y 实例，类型 Integer
Integer z = Integer.valueOf(127);//..
Integer w = new Integer(127);
//我们会发现valueOf创建的实例是相等的，说明使用了享元模式。new 每次给创建一个新的对象
System.out.println(x == z ); // true
System.out.println(w == y ); // false
}【2】进入 valueOf 方法：根据源码分析：只有当 -128 <= i >= 127 时，就使用享元模式，从缓存中获取值
public static Integer valueOf(int i) {
/**
* IntegerCache.low = -128
* IntegerCache.highhigh = 127
* 根据源码分析：只有当 -128 <= i >= 127 时，就使用享元模式，从缓存中获取值
* IntegerCache 相当于工厂类
*/
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}【3】我们进入工厂角色：Interger 则为我们的具体享元角色。
private static class IntegerCache {
static final int low = -128;
static final int high;
//工厂类中存储对象实例的数组
static final Integer cache[];
static {
······
high = 127;
//定义数组长度 = 127+128+1
cache = new Integer[(high - low) + 1];
int j = low;
for(int k = 0; k < cache.length; k++)
//循环创建对象，并放入数组缓存
cache[k] = new Integer(j++);
// 断言 如果为true 继续执行，false 则抛错
assert IntegerCache.high >= 127;
}
}七、享元模式的注意事项和细节
1）、对享元模式的理解： “享” 表示共享 “元” 表示对象。 2）、系统中有大量对象，这些对象消耗大量内存，并且对象的状态大部分可以外部化时，我们就可以考虑选用享元模式。 3）、用唯一标识码判断，如果内存中有则直接返回，一般使用 HashMap、HashTable 或者数组之内进行存储。 4）、享元模式提高了系统的复杂度。需要分离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，这是使用享元模式需要注意的地方。 5）、使用享元模式时，注意划分内部状态和外部状态，并且需要一个工厂类对享元角色进行管理。
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