設計模式 – 享元模式詳解

基本介紹

享元模式(Flyweight Pattern)也叫蠅量模式,運用共享技術有效地支持大量細粒度對象的復用。常用於系統底層開發,解決系統性能問題。例如資料庫連接池,裡面都是創建好的連接對象,如果有我們需要的,直接拿來用,避免重新創建,可以解決重複對象對內存造成浪費的問題

內部狀態和外部狀態

享元模式提出了細粒度和共享對象,這裡就涉及了內部狀態和外部狀態的概念,即可以把對象的信息分為兩個部分:內部狀態和外部狀態

內部狀態(Intrinsic State):可以共享的相同內容

外部狀態(Extrinsic State):需要外部環境來設置的不能共享的內容

舉個栗子,圍棋理論上有 361 個位置可以放棋子,每盤棋可能會產生兩三百個棋子對象,由於內存有限,一台伺服器很難支持更多玩家進行圍棋對戰,如果用享元模式來處理棋子,將棋子的顏色(黑與白)作為內部狀態,棋子的位置(不確定)作為外部狀態,就可以將棋子對象減少到兩個實例(黑棋、白棋),這樣就可以很好的解決內存開銷問題。

模式結構

  • Flyweight:抽象享元類
  • ConcreteFlyweight:具體享元類
  • UnsharedConcreteFlyweight:非共享具體享元類
  • FlyweightFactory:享元工廠類

舉例說明

一個開發團隊接了這樣的項目,客戶希望做一個產品展示網站,但網站需要有多種發布形式,每個用戶可以以新聞形式發布、以博客形式發布、以微信公眾號形式發布…

「抽象享元類」

public abstract class AbstractWebsite {
    public abstract void publish(User user);
}

「非共享具體享元類」

public class User {
    private String name;

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

    public String getName() {
        return name;
    }
}

「具體享元類」

public class ConcreteWebsite extends AbstractWebsite {
    /**
     * 發布類型
     */
    private String type = "";

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

    /**
     * 發布
     */
    @Override
    public void publish(User user) {
        System.out.println("用戶「"+user.getName()+"」發布的網站形式為「" + type+"」");
    }
}

「享元工廠類」

public class WebsiteFactory {

    /**
     * 以 HashMap 作為對象池
     */
    private Map<String, ConcreteWebsite> pool = new HashMap<>();

    /**
     * 從對象池中返回指定類型的對象,沒有則創建
     */
    public AbstractWebsite getWebsite(String type) {
        if (!pool.containsKey(type)) {
            pool.put(type, new ConcreteWebsite(type));
        }
        return pool.get(type);
    }

    /**
     * 計算對象池中對象的個數
     */
    public int count() {
        return pool.size();
    }
}

「測試類」

public class Client {
    @Test
    public void test(){
        WebsiteFactory factory = new WebsiteFactory();

        AbstractWebsite website1 = factory.getWebsite("新聞");
        website1.publish(new User("張三"));
        website1.publish(new User("李四"));

        AbstractWebsite website2 = factory.getWebsite("博客");
        website2.publish(new User("王五"));
        website2.publish(new User("趙六"));

        AbstractWebsite website3 = factory.getWebsite("公眾號");
        website3.publish(new User("陳七"));
        website3.publish(new User("胡八"));

        System.out.println("對象的個數:" + factory.count());
    }
}

「運行結果」

用戶「張三」發布的網站形式為「新聞」
用戶「李四」發布的網站形式為「新聞」
用戶「王五」發布的網站形式為「博客」
用戶「趙六」發布的網站形式為「博客」
用戶「陳七」發布的網站形式為「公眾號」
用戶「胡八」發布的網站形式為「公眾號」
對象的個數:3

享元模式在Integer中的應用

首先我們看一段代碼,運行結果是什麼?

public class IntegerSource {
    public static void main(String[] args) {
        Integer v1 = 127;
        Integer v2 = 127;
        System.out.println("v1等於v2? " + (v1 == v2));
        Integer v3 = 128;
        Integer v4 = 128;
        System.out.println("v3等於v4? " + (v3 == v4));
    }
}
答案
v1等於v2? true
v3等於v4? false

分析:查看 Integer 源碼,找到 valueOf 方法,可以看到,如果 i 在某個範圍內,就不會產生新的對象,直接從緩存數組中獲取,點進 IntegerCache 里就會發現 low = -128 high = 127,因此,我們可以理解為這個數組就是「內部狀態」

public static Integer valueOf(int i) {
    //low = -128 , high = 127
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        //IntegerCache.cache是一個常量數組:static final Integer cache[];
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

模式分析

優點:

  • 可以極大減少內存中對象的數量,使得相同對象或相似對象在內存中只保存一份。

  • 享元模式的外部狀態相對獨立,而且不會影響其內部狀態,從而使得享元對象可以在不同的環境中被共享。

缺點:

  • 享元模式使得系統更加複雜,需要分離出內部狀態和外部狀態,這使得程序的邏輯複雜化。
  • 為了使對象可以共享,享元模式需要將享元對象的狀態外部化,而讀取外部狀態使得運行時間變長。

適用場景:

  • 一個系統有大量相同或者相似的對象,由於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以外部化,可以將這些外部狀態傳入對象中。

  • 使用享元模式需要維護一個存儲享元對象的享元池,而這需要耗費資源,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。