「聊设计模式」之享元模式（Flyweight）

原创

bug菌

发布于 2023-11-10 00:04:19

1650

发布于 2023-11-10 00:04:19

文章被收录于专栏：《项目实战教学》

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大家下午好，我是bug菌，今天我们继续聊设计模式。

前言

设计模式是解决复杂问题的最佳实践之一，这些模式都是由经验丰富的程序员在解决问题中总结出来的。享元模式是一种结构型设计模式，旨在通过共享尽可能多的对象来减少内存使用和提高性能。

摘要

享元模式是一个可用于优化重复性的设计模式。如果在应用程序中创建了大量相似的对象，那么可以使用享元模式来减少所需的内存和性能开销。该模式实现了对象的共享，从而减少了内存中对象的数量。也就是说，享元模式允许将对象的状态分为内部状态和外部状态。内部状态存储在享元对象内部，并且在对象创建之后不会发生变化。外部状态由客户端代码传递给享元对象。

享元模式

概念

享元模式是一种结构型设计模式，它通过共享相同或相似的对象来减少内存消耗，提高系统的性能和效率。

在享元模式中，对象分为两类：内部状态和外部状态。内部状态是对象的固有属性，可以被共享；而外部状态则取决于对象的使用环境，不可共享。享元模式将内部状态和外部状态分离，并共享内部状态，从而减少内存中相同状态对象的数量。

典型的享元模式应用场景是在需要大量创建相同或相似对象，且创建和销毁对象的成本较高时，如数据库连接池、线程池等。通过共享已有的对象，减少新对象的创建，可以有效地优化系统性能和资源利用。

结构

享元模式中有以下几个角色：

抽象享元（Flyweight）：享元接口，声明了享元对象的方法。
具体享元（ConcreteFlyweight）：实现抽象享元接口，实现抽象享元的方法，并且需要注意内部状态和外部状态的处理。
享元工厂（FlyweightFactory）：享元工厂用于创建和管理享元对象，它维护一个享元池用于存储已经创建的享元对象，以便重复利用。
客户端（Client）：使用享元工厂创建和管理享元对象。

如下是享元模式的UML类图：

优缺点

优点：

享元模式的优点如下：

享元模式可以大大减少内存使用，因为共享对象可以由多个上下文使用。它可以用于缓存那些不经常改变但经常使用的对象，从而提高系统的性能。
通过使用享元模式，可以减少对象的数量，从而降低系统的复杂性。缺点：

享元模式的缺点如下：

实现享元模式需要对系统进行全面分析和重构，这可能会增加系统的开发时间和成本。
如果内部状态非常复杂，并且不能分为内部状态和外部状态，那么享元模式将无法提供帮助。

应用场景

享元模式适用于以下场景：

当需要创建大量对象时，使用享元模式可以节省内存和系统资源，提高系统性能。
对象具有可共享的状态，因此可以将这些状态独立出来，让多个对象共享。例如，一个文本编辑器中的字符或字体颜色可以共享，从而减少内存占用。
享元模式可以用于缓存系统中，将经常使用的数据缓存起来，以减少系统的访问压力。
适用于使用少量对象来表示大量数据的情况，例如棋盘游戏中的棋子。
适用于需要合理控制内存使用和对象数量的场合，例如移动设备上的游戏开发。

总之，享元模式适用于需要创建大量相似对象的场景，通过共享对象的状态来减少内存占用，提高系统性能。

模式实现

下面是一个简单的示例代码，展示如何使用享元模式来创建和管理汽车对象。

首先是抽象享元接口：

package com.example.javaDesignPattern.flyweight;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/19 16:15
 */
public interface Car {
    void drive(String location);
}

然后是具体享元实现：

package com.example.javaDesignPattern.flyweight;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/19 16:15
 */
public class Bike implements Car {
    private String type;

    public Bike(String type) {
        this.type = type;
    }

    @Override
    public void drive(String location) {
        System.out.println("Drive " + type + " bike to " + location);
    }
}

package com.example.javaDesignPattern.flyweight;

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

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/19 16:16
 */
public class CarFactory {
    private static Map<String, Car> carPool = new HashMap<>();

    public static Car getCar(String type) {
        Car car = carPool.get(type);

        if (car == null) {
            car = new Bike(type);
            carPool.put(type, car);
            System.out.println("Create new car of type " + type);
        }
        return car;
    }
}

客户端代码如下所示：

package com.example.javaDesignPattern.flyweight;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/19 16:16
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Car car1 = CarFactory.getCar("Sport");
        car1.drive("New York");

        Car car2 = CarFactory.getCar("Sport");
        car2.drive("San Francisco");

        Car car3 = CarFactory.getCar("Economy");
        car3.drive("Los Angeles");
    }
}

在客户端代码中，我们使用工厂方法来创建汽车对象。如果工厂已经创建了某种类型的汽车，则从享元池中返回汽车对象。否则，它将创建一个新的汽车对象，并将其添加到享元池中。

代码方法介绍

Car

drive(String location) 方法：驾驶汽车到指定的位置。

Bike

Bike(String type) 构造方法：创建具体享元对象。
drive(String location) 方法：驾驶自行车到指定的位置。

CarFactory

getCar(String type) 方法：从享元池中获取指定类型的汽车对象。

Client

main(String[] args) 方法：客户端代码，用于测试享元模式。

测试用例

下面是测试代码，用于测试享元模式是否工作正常。您可以在本地使用Java编译器运行该代码来查看它是否有效。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Car car1 = CarFactory.getCar("Sport");
        car1.drive("New York");

        Car car2 = CarFactory.getCar("Sport");
        car2.drive("San Francisco");

        Car car3 = CarFactory.getCar("Economy");
        car3.drive("Los Angeles");
    }
}

执行结果如下：

测试用例代码解析

这段代码展示了工厂方法模式的示例。首先定义了一个Client类，其中main方法中创建了三个Car对象，分别使用了工厂方法CarFactory.getCar()来获取不同类型的车辆对象。然后分别调用了这些车辆对象的drive方法来模拟它们载客出行的场景。

值得注意的是，工厂方法CarFactory.getCar()根据传入的参数来选择要创建的车辆对象的类型。在这个示例中，它接受的参数是字符串类型，对应着两种不同的车辆类型：Sport和Economy。如果需要添加更多类型的车辆，只需要在工厂方法中加入对应的逻辑即可。这也是工厂方法模式的优点之一，它使得代码更加灵活，易于扩展。

小结

享元模式是一种结构性设计模式，可用于优化内存使用和性能。通过将对象分为内部状态和外部状态，可以共享已经创建的对象实例。该模式适用于需要创建大量相似对象的应用程序。

附录源码

如上涉及代码均已上传同步在GitHub，提供给同学们参考性学习。

总结

享元模式可以帮助我们优化重复性的代码。它允许我们共享已经创建的相似对象，并且可以显著减少内存使用和性能开销。但是，实现此模式需要对系统进行全面分析和重构。如果可以正确地实现享元模式，那么它将有助于提高系统的性能和扩展性。

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