认真学习设计模式之享元模式(Flyweight Pattern)

【1】概述

① 介绍

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。

② UML原理图

对类图的说明

• ​​FlyWeight​​ 是抽象的享元角色, 他是产品的抽象类, 同时定义出对象的外部状态和内部状态(后面介绍) 的接口或实现；
• ​​ConcreteFlyWeight​​ 是具体的享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义相关业务;
• ​​UnSharedConcreteFlyWeight​​ 是不可共享的角色，一般不会出现在享元工厂。
• ​​FlyWeightFactory​​ 享元工厂类，用于构建一个池容器(集合)， 同时提供从池中获取对象方法

③ 内部状态和外部状态

比如围棋、五子棋、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，跳棋颜色多一点，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，当我们落子后，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以棋子坐标就是棋子的外部状态。

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了，即将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。

如围棋理论上有361 个空位可以放棋子，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。

④ 享元模式的注意事项和细节

在享元模式这样理解，​​“享”就表示共享，“元”表示对象​​。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。

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。

享元模式大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率。但是享元模式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，这是我们使用享元模式需要注意的地方。

使用享元模式时，注意划分内部状态和外部状态，并且需要有一个工厂类加以控制。享元模式经典的应用场景是需要缓冲池的场景，比如String 常量池、数据库连接池。

【2】案例分析

小型的外包项目，给客户A 做一个产品展示网站，客户A 的朋友感觉效果不错，也希望做这样的产品展示网站，但是要求都有些不同：

• 有客户要求以新闻的形式发布
• 有客户人要求以博客的形式发布
• 有客户希望以微信公众号的形式发布

① 传统方式

直接复制粘贴一份，然后根据客户不同要求，进行定制修改，给每个网站租用一个空间。

方案设计示意图

问题分析

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，造成服务器的资源浪费。

解决思路：整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，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。对于代码来说，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易。

上面的解决思路就可以使用享元模式来解决。

② 享元模式

① 定义抽象类与子类

// 抽象类提供抽象方法
public abstract class WebSite {

  public abstract void use(User user);//抽象方法
}

//具体网站
public class ConcreteWebSite extends WebSite {

  //共享的部分，内部状态
  private String type = ""; //网站发布的形式(类型)
  
  //构造器
  public ConcreteWebSite(String type) {
    
    this.type = type;
  }

  @Override
  public void use(User user) {
    System.out.println("网站的发布形式为:" + type + " 在使用中 .. 使用者是" + user.getName());
  }
}

② 定义工厂类

// 网站工厂类，根据需要返回压一个网站
public class WebSiteFactory {
  //集合， 充当池的作用
  private HashMap<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();
  
  //根据网站的类型，返回一个网站, 如果没有就创建一个网站，并放入到池中,并返回
  public WebSite getWebSiteCategory(String type) {
    if(!pool.containsKey(type)) {
      //就创建一个网站，并放入到池中
      pool.put(type, new ConcreteWebSite(type));
    }
    
    return (WebSite)pool.get(type);
  }
  
  //获取网站分类的总数 (池中有多少个网站类型)
  public int getWebSiteCount() {
    return pool.size();
  }
}

③ 定义用户对象

如下是一个很简单的用户类，也就是​​外部状态​​，可能会有不同用户使用同一种类型的站点(共享站点)。

public class User {
  
  private String name;
  public User(String name) {
    super();
    this.name = name;
  }

  public String getName() {
    return name;
  }

  public void setName(String name) {
    this.name = name;
  }
  
}

④ 客户端测试

public class Client {

  public static void main(String[] args) {
    // 创建一个工厂类
    WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

    // 客户要一个以新闻形式发布的网站
    WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");

    
    webSite1.use(new User("tom"));

    // 客户要一个以博客形式发布的网站
    WebSite webSite2 = factory.getWebSiteCategory("博客");

    webSite2.use(new User("jack"));

    // 客户要一个以博客形式发布的网站
    WebSite webSite3 = factory.getWebSiteCategory("博客");

    webSite3.use(new User("smith"));

    // 客户要一个以博客形式发布的网站
    WebSite webSite4 = factory.getWebSiteCategory("博客");

    webSite4.use(new User("king"));
    
    System.out.println("网站的分类共=" + factory.getWebSiteCount());
  }

}

打印结果：

网站的发布形式为:新闻 在使用中 .. 使用者是tom
网站的发布形式为:博客 在使用中 .. 使用者是jack
网站的发布形式为:博客 在使用中 .. 使用者是smith
网站的发布形式为:博客 在使用中 .. 使用者是king
网站的分类共=2

我们回顾一下此时的UML类图

【3】池技术的应用

享元模式在JDK-Interger 的应用源码，如下所示如果Integer.valueOf(x) x 在​​-128 --- 127​​ 直接，就是使用享元模式返回,如果不在范围内，则仍然new。

public static Integer valueOf(int i) {
       if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
           return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
       return new Integer(i);
   }

测试如下：

public class MyInteger {
    public static void main(String[] args){
//如果Integer.valueOf(x) x 在-128 --- 127 直接，就是使用享元模式返回,如果不在范围内，则仍然new
//小结:
//1. 在valueOf 方法中，先判断值是否在IntegerCache 中，如果不在，就创建新的Integer(new), 否则，就直接从缓存池返回
//2. valueOf 方法，就使用到享元模式
//3. 如果使用valueOf 方法得到一个Integer 实例，范围在-128 - 127 ，执行速度比new 快
        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);
        System.out.println(x.equals(y)); // 大小，true
        System.out.println(x == y ); // false
        System.out.println(x == z ); // true
        System.out.println(w == x ); // false
        System.out.println(w == y ); // false
        Integer x1 = Integer.valueOf(200);
        Integer x2 = Integer.valueOf(200);
        System.out.println("x1==x2" + (x1 == x2)); // false
    }
}