軟件設計模式學習（十五）享元模式

2020 年 5 月 9 日
筆記
軟件設計

當系統中存在大量相同或相似的對象時，享元模式是一種較好的解決方案，它通過共享技術實現相同或相似的細粒度對象的復用，從而節約內存空間。享元模式提供了一個享元池用於存儲已經創建好的享元對象，並通過享元工廠類將享元對象提供給客戶端使用。

模式動機

使用面向對象技術開發時，很多情況下需要在系統中增加類和對象的個數，並且這些對象有些是相同或相似的。當對象太多時，將導致運行代價過高，性能下降等問題。為了避免系統中出現大量相同或相似的對象，享元模式通過共享技術實現相同或相似對象的重用，相同的對象都指向一個實例，存儲這個實例的對象稱為享元池。

模式設計

系統中有些對象並不完全相同，而只是相似，因此需要先找出這些對象的共同點，在享元類中封裝這些共同的內容。不同的內容可以通過外部應用程序來設置，而不進行共享，在享元模式中可以共享的相同內容稱為內部狀態，而那些需要外部環境設置的不能共享的內容稱為外部狀態。

在享元模式中通常會出現工廠模式，需要創建一個享元工廠來維護一個享元池，用於存儲具有相同內部狀態的享元對象。實際使用中，能夠共享的內部狀態是有限的，因此享元對象一般都設計為較小的對象，它所包含的內部狀態較少，這種狀態一般稱為細粒度對象。享元模式的目的就是使用共享技術來實現大量細粒度對象的復用。

模式定義

運用共享技術有效地支持大量細粒度對象的復用。系統只使用少量的對象，而這些對象都很相似，狀態變化很小，可以實現對象的多次復用。由於享元模式要求能夠共享的對象必須是細粒度對象，因此又稱為輕量級模式。

模式結構

Flyweight（抽象享元類）

抽象享元類聲明是一個接口，通過它可以接受並作用於外部狀態。在抽象享元類定義了具體享元類公共的方法，這些方法可以向外界提供享元對象的內部數據（內部狀態），同時也可以通過這些方法來設置外部數據（外部狀態）
ConcreteFlyweight（具體享元類）

具體享元類實現了抽象享元接口，保存了內部狀態，具體享元對象是可以共享的。可以結合單例模式來設計享元具體類，為每一個具體享元類提供唯一的享元對象。
UnsharedConcreteFlyweight（非共享具體享元類）

不能被共享的抽象享元類的子類被設計為非共享具體享元類。當需要一個非共享具體享元類的對象時可以直接通過實例化創建。在某些享元模式的層次結構中，非共享具體享元對象還可以將具體享元對象作為子節點。
FlyweightFactory（享元工廠類）

享元工廠類用於創建並管理享元對象，它針對抽象享元類編程，將各種類型的具體享元對象存儲在一個享元池中。當用戶請求一個具體享元對象時，享元工廠提供一個存儲在享元池已創建的實例或者創建一個實例，返回該新創建的實例並將其存儲在享元池中。

模式分析

享元模式的核心在於享元工廠類，享元工廠類的作用在於提供一個用於存儲享元對象的享元池。典型的享元工廠類代碼如下：

public class FlyweightFactory {

    private HashMap flyweights = new HashMap();

    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        if (flyweights.containsKey(key)) {
            return (Flyweight) flyweights.get(key);
        } else {
            Flyweight fw = new ConcreteFlyweight();
            flyweights.put(key, fw);
            return fw;
        } 
    }
}

享元對象能做到共享的關鍵是區分內部狀態（internal state）和外部狀態（external state）。下面簡單對享元的內部狀態和外部狀態進行分析：

內部狀態是存儲在享元對象內部並且不會隨環境改變而改變的狀態，因此內部狀態可以共享。
外部狀態是隨環境改變而改變的、不可共享的狀態。享元對象的外部狀態必須由客戶端保存，並在享元對象被創建之後，在需要使用時再傳入到享元對象內部。

典型的享元類代碼如下：

public class Flyweight {

    private String intrinsicState;

    public Flyweight(String intrinsicState) {
        this.intrinsicState = intrinsicState;
    }

    public void operation(String extrinsicState) {
        ...
    }
}

實例之共享網絡設備

很多網絡設備都是支持共享的，如交換機、集線器等，多台計算機終端可以鏈接同一台網絡設備，並通過該網絡設備進行數據轉換。但是分配給每一個終端計算機的端口是不同的，可以將端口從網絡設備中抽取出來作為外部狀態，需要時再設置。

抽象享元類 NetworkDevices

public interface NetworkDevice {

    public String getType();
    public void use(Port port);	// 用於設置外部狀態
}

具體享元類 Switch

public class Switch implements NetworkDevice {

    private String type;

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

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void use(Port port) {
        System.out.println("Linked by switch, type is" + this.type + ",port is" + port.getPort());
    }
}

具體享元類 Hub

public class Hub implements NetworkDevice {

    private String type;

    public Hub(String type) {

        this.type = type;
    }

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void use(Port port) {
        System.out.println("Linked by Hub, type is" + this.type + ",port is" + port.getPort());
    }
}

端口類 Port

public class Port {

    String port;

    public Port(String port) {
        this.port = port;
    }

    public String getPort() {
        return port;
    }

    public void setPort(String port) {
        this.port = port;
    }
}

享元工廠 DeviceFactory

public class DeviceFactory {

    private List<NetworkDevice> devices = new ArrayList<NetworkDevice>();
    private int totalTerminal = 0;

    public DeviceFactory() {

        NetworkDevice nd1 = new Switch("Cisco-WS-C2950-24");
        devices.add(nd1);
        NetworkDevice nd2 = new Hub("TP-LINK-HF8M");
        devices.add(nd2);
    }

    public NetworkDevice getNetworkDevice(String type) {

        if (type.equalsIgnoreCase("cisco")) {
            totalTerminal++;
            return devices.get(0);
        } else if (type.equalsIgnoreCase("tp")) {
            totalTerminal++;
            return devices.get(1);
        } else {
            return null;
        }
    }

    public int getTotalDevice() {
        return devices.size();
    }

    public int getTotalTerminal() {
        return totalTerminal;
    }
}

客戶測試類 Client

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        DeviceFactory df = new DeviceFactory();

        NetworkDevice nd1 = df.getNetworkDevice("cisco");
        nd1.use(new Port("1000"));

        NetworkDevice nd2 = df.getNetworkDevice("cisco");
        nd2.use(new Port("1001"));

        NetworkDevice nd3 = df.getNetworkDevice("cisco");
        nd3.use(new Port("1002"));

        NetworkDevice nd4 = df.getNetworkDevice("tp");
        nd4.use(new Port("1003"));

        NetworkDevice nd5 = df.getNetworkDevice("tp");
        nd5.use(new Port("1004"));

        System.out.println("Total Device: " + df.getTotalDevice());
        System.out.println("Total Terminal: " + df.getTotalTerminal());
    }
}

在客戶端代碼中，在調用享元對象的 use() 方法時，傳入了一個 Port 類型對象，在該對象中封裝了端口號，作為共享網絡設備的外部狀態，同一個網絡設備具有多個不同的端口號。

從運行結果可以得知，在調用享元對象的 use() 方法時，由於設置了不同的端口號，因此相同的享元對象雖然具有相同的內部狀態 type，但是它們的外部狀態 port 不同。

模式優缺點

優點如下：

極大減少內存中對象的數量
享元模式的外部狀態相對獨立，不會影響其內部狀態，因此享元對象可以在不同的環境中被共享。

缺點如下：

享元模式是系統更加複雜，需要分離出內部狀態和外部狀態。
讀取外部狀態會使運行時間變長。

模式適用環境

以下情況可以使用享元模式：

一個系統有大量相同或相似對象，這類對象的大量使用造成內存的大量耗費
對象的大部分狀態都可外部化，可以將這些外部狀態傳入對象中。
維護享元池需要耗費資源，因此應當在多次重複使用享元對象時才值得使用享元模式

單純享元模式

即所有抽象享元類的子類都可以共享，不存在非共享具體享元類

複合享元模式

將單純享元模式與組合模式加以組合，可以形成複合享元對象。這樣的複合享元對象本身不能共享，但它們可以分解成單純享元對象，而後者可以共享。通過複合享元模式，可以確保複合享元類 CompositeConcreteFlyweight 中所包含的每個單純享元類 ConcreteFlyweight 都具有相同的外部狀態，而這些單純享元的內部狀態往往不同。

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