【Java设计模式 设计模式与范式】结构型模式 七：享元模式

【Java设计模式 设计模式与范式】结构型模式 七：享元模式

本篇Blog继续学习结构型模式，了解如何更优雅的布局类和对象。结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组合以便获得更好、更灵活的结构。虽然面向对象的继承机制提供了最基本的子类扩展父类的功能，但结构型模式不仅仅简单地使用继承，而更多地通过组合与运行期的动态组合来实现更灵活的功能。它分为类结构型模式和对象结构型模式，前者采用继承机制来组织接口和类，后者釆用组合或聚合来组合对象。本篇学习的是享元模式。由于学习的都是设计模式，所有系列文章都遵循如下的目录：

• 模式档案：包含模式的定义、模式的特点、解决什么问题、优缺点、使用场景等
• 模式结构：包含模式的角色定义及调用关系以及其模版代码
• 模式示例：包含模式的实现方式代码举例，生活中的简单问题映射
• 模式实践：如果工作中或开源项目用到了该模式，就将使用过程贴到这里，并且客观讨论使用的是否恰当
• 模式对比：如果模式相似，有必要体现其相似点及不同点，区分使用，说明哪些场景下使用哪种模式比较好
• 模式扩展：如果模式有与标准结构定义不同的变体形式，一并体现出其变体结构

接下来所有设计模式的介绍都暂且遵循此基本行文逻辑吗，如果某一条目没有则无需体现，但条目顺序遵循此结构

模式档案

在面向对象程序设计过程中，有时会面临要创建大量相同或相似对象实例的问题。创建那么多的对象将会耗费很多的系统资源，它是系统性能提高的一个瓶颈。例如，围棋和五子棋中的黑白棋子、图像中的坐标点或颜色，这些对象有很多相似的地方，如果能把它们相同的部分提取出来共享，则能节省大量的系统资源，这就是享元模式

模式定义：享元模式运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。它通过共享已经存在的不变对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

解决什么问题：享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象，具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。

优点：相同对象只要保存一份，这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

缺点：享元模式 使得系统更加复杂，需要分离出内部状态和外部状态，这使得程序的逻辑复杂化；

使用场景：当满足如下场景时可以使用享元模式：

1. 系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源。
2. 由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式。

需要注意的是：享元对象应该为不可变对象，不可变对象指一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何 set() 等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码

模式结构

享元模式的主要角色有如下。

• 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。
• 具体享元角色（Concrete Flyweight）：实现抽象享元角色中所规定的接口。
• 非享元角色（Unsharable Flyweight)：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中。
• 享元工厂角色（Flyweight Factory）：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，享元工厂检査系统中是否存在符合求的享元对象，如果存在则提供给客户；如果不存在的话，则创建一个新的享元对象。

角色间的关系UML如下：

模式实现

按照如上UML图角色代码如下：

1 抽象享元角色

// 抽象享元角色
interface IFlyweight {void operation(UnsharedConcreteFlyweight unsharedConcreteFlyweight);
}

2 具体享元角色

// 具体享元角色
class ConcreteFlyweight implements IFlyweight {private String intrinsicState;public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) {this.intrinsicState = intrinsicState;}@Overridepublic void operation(UnsharedConcreteFlyweight unsharedConcreteFlyweight) {System.out.println("Object address: " + System.identityHashCode(this));System.out.println("IntrinsicState: " + this.intrinsicState);System.out.println("ExtrinsicState: " + ExtrinsicState());}
}

3 非享元角色

// 非享元角色
class UnsharedConcreteFlyweight {private String extrinsicState;UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsicState) {insicState = extrinsicState;}public String getExtrinsicState() {return extrinsicState;}public void setExtrinsicState(String extrinsicState) {insicState = extrinsicState;}
}

4 享元工厂角色

// 享元工厂
class FlyweightFactory {private static Map<String, IFlyweight> pool = new HashMap<>();// 因为内部状态具备不变性，因此作为缓存的键public static IFlyweight getFlyweight(String intrinsicState) {if (!ainsKey(intrinsicState)) {IFlyweight flyweight = new ConcreteFlyweight(intrinsicState);pool.put(intrinsicState, flyweight);}(intrinsicState);}
}

客户端调用代码如下：

public class FlyweightPattern {public static void main(String[] args) {IFlyweight flyweight1 = Flyweight("intrinsicState-a");IFlyweight flyweight2 = Flyweight("intrinsicState-b");IFlyweight flyweight3 = Flyweight("intrinsicState-a");UnsharedConcreteFlyweight unsharedConcreteFlyweight_1 = new UnsharedConcreteFlyweight("extrinsicState-1");UnsharedConcreteFlyweight unsharedConcreteFlyweight_2 = new UnsharedConcreteFlyweight("extrinsicState-2");UnsharedConcreteFlyweight unsharedConcreteFlyweight_3 = new UnsharedConcreteFlyweight("extrinsicState-3");flyweight1.operation(unsharedConcreteFlyweight_1);flyweight2.operation(unsharedConcreteFlyweight_2);flyweight3.operation(unsharedConcreteFlyweight_3);}
}

打印结果如下：

内部状态一致时，可以看到打印的是同一个享元对象。

模式实践

就以下棋为例进行实践举例：设计一个在线棋牌游戏大厅

设计一个在线棋牌游戏大厅

一个游戏厅中有成千上万个房间，每个房间对应一个棋局。棋局要保存每个棋子的数据，比如：棋子类型（将、相、士、炮等）、棋子颜色（红方、黑方）、棋子在棋局中的位置。利用这些数据，我们就能显示一个完整的棋盘给玩家。具体的代码如下所示。其中，ChessPiece 类表示棋子，ChessBoard 类表示一个棋局，里面保存了象棋中 32 个棋子的信息

public class ChessPiece {//棋子private String id;private String text;private String color;private int positionX;private int positionY;public ChessPiece(String id, String text, Color color, int positionX, int positionY) {this.id =  = lor = color;this.positionX = positionX;this.positionY = positionX;}// ...省略其他属性和getter/setter方法...
}public class ChessBoard {//棋局private Map<String , ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();public ChessBoard() {init();}private void init() {chessPieces.put("black-che-0-0", new ChessPiece("black-che-0-0", "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0));chessPieces.put("red-che-0-1", new ChessPiece("red-che-0-0","馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));//...省略摆放其他棋子的代码...}public void move(String chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {//...省略...}
}

为了记录每个房间当前的棋局情况，我们需要给每个房间都创建一个 ChessBoard 棋局对象。因为游戏大厅中有成千上万的房间（实际上，百万人同时在线的游戏大厅也有很多），那保存这么多棋局对象就会消耗大量的内存。有没有什么办法来节省内存呢？这个时候，享元模式就可以派上用场了。像刚刚的实现方式，在内存中会有大量的相似对象。这些相似对象的 id、text、color 都是相同的，唯独 positionX、positionY 不同。实际上，我们可以将棋子的 id、text、color 属性拆分出来，设计成独立的类，并且作为享元供多个棋盘复用。这样，棋盘只需要记录每个棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示：

ample.designpattern.flyweight;import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.Getter;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class ChessBoard {public static void main(String[] args) {ChessPieceUnit chessPieceUnit1 = ChessPiece("black-che");PiecePos piecePos1 = new PiecePos(0, 1);ChessPieceUnit chessPieceUnit2 = ChessPiece("black-che");PiecePos piecePos2 = new PiecePos(5, 1);ChessPieceUnit chessPieceUnit3 = ChessPiece("red-che");PiecePos piecePos3 = new PiecePos(0, 4);ve(piecePos1);ve(piecePos2);ve(piecePos3);}
}// 抽象享元角色
interface ChessPieceUnit {void move(PiecePos piecePos);
}// 非享元角色
@Data
@AllArgsConstructor
class PiecePos {int toPositionX;int toPositionY;
}// 具体享元角色
@AllArgsConstructor
@Getter
class ChessPieceUnitImpl implements ChessPieceUnit {private String name;private String text;private String color;@Overridepublic void move(PiecePos piecePos) {System.out.println("Object address: " + System.identityHashCode(this));System.out.println(this.name + "棋子所在棋盘位置为: " + PositionX + "," + PositionY);}
}// 享元工厂
class ChessPieceUnitFactory {private static final Map<String, ChessPieceUnitImpl> pieces = new HashMap<>();static {ChessPieceUnitImpl chessPieceUnit_black_che = new ChessPieceUnitImpl("black-che", "車", "black");ChessPieceUnitImpl chessPieceUnit_red_che = new ChessPieceUnitImpl("red-che", "車", "red");pieces.put(chessPieceUnit_Name(), chessPieceUnit_black_che);pieces.put(chessPieceUnit_Name(), chessPieceUnit_red_che);//...省略其他棋子的代码...}public static ChessPieceUnitImpl getChessPiece(String chessPieceId) {(chessPieceId);}
}

上面的代码中，我们利用工厂类来缓存 ChessPieceUnitImpl 信息（也就是 id、text、color）。通过工厂类获取到的 ChessPieceUnitImpl 就是享元。所有的 ChessBoard 对象共享这 32 个 ChessPieceUnitImpl 对象（因为象棋中只有 32 个棋子）。在使用享元模式之前，记录 1 万个棋局，我们要创建 32 万（32*1 万）个棋子的 ChessPieceUnitImpl 对象。利用享元模式，我们只需要创建 32 个享元对象供所有棋局共享使用即可，大大节省了内存。实际上，它的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 来缓存已经创建过的享元对象，来达到复用的目的

享元模式在JDK中应用

享元模式应用于Java中的基本类型Cache和String类型的缓存。

IntegerCache实现

Java中的IntegerCache就是享元模式的一个应用：当我们通过自动装箱，也就是调用 valueOf() 来创建 Integer 对象的时候

Integer i = 59；底层执行了：Integer i = Integer.valueOf(59);

如果要创建的 Integer 对象的值在 -128 到 127 之间，会从 IntegerCache 类中直接返回，否则才调用 new 方法创建

/*** Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between* -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.** The cache is initialized on first usage.  The size of the cache* may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.* During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property* may be set and saved in the private system properties in the* sun.misc.VM class.*/
private static class IntegerCache {static final int low = -128;static final int high;static final Integer cache[];static {// high value may be configured by propertyint h = 127;String integerCacheHighPropValue =sun.SavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");if (integerCacheHighPropValue != null) {try {int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);i = Math.max(i, 127);// Maximum array size is Integer.MAX_VALUEh = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);} catch( NumberFormatException nfe) {// If the property cannot be parsed into an int, ignore it.}}high = h;cache = new Integer[(high - low) + 1];int j = low;for(int k = 0; k < cache.length; k++)cache[k] = new Integer(j++);// range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)assert IntegerCache.high >= 127;}private IntegerCache() {}
}

以下的例子中：

Integer a = new Integer(123);
Integer a = 123;
Integer a = Integer.valueOf(123);

第一种创建方式并不会使用到 IntegerCache，而后面两种创建方法可以利用 IntegerCache 缓存，返回共享的对象，以达到节省内存的目的。举一个极端一点的例子，假设程序需要创建 1 万个 -128 到 127 之间的 Integer 对象。使用第一种创建方式，我们需要分配 1 万个 Integer 对象的内存空间；使用后两种创建方式，我们最多只需要分配 256 个 Integer 对象的内存空间

String字符串常量池

Java的Sting也用到了享元模式，JVM 会专门开辟一块存储区来存储字符串常量，这块存储区叫作字符串常量池，细节参照我这篇Blog：【深入理解JVM 三】类Class文件结构。

String s1 = "tml";
String s2 = "tml";
String s3 = new String("tml");System.out.println(s1 == s2);
System.out.println(s1 == s3);

上面代码的运行结果是：一个 true，一个 false。跟 Integer 类的设计思路相似，String 类利用享元模式来复用相同的字符串常量（也就是代码中的tml）。

模式对比

分别看看享元模式和几个相似概念的对比：

享元模式跟单例的区别

在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多处代码引用共享。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。但是区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看，享元模式和多例有很多相似之处，但从设计意图上来看，它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例模式是为了限制对象的个数。

享元模式跟缓存的区别

在享元模式的实现中，我们通过工厂类来缓存已经创建好的对象。这里的缓存实际上是存储的意思，跟我们平时所说的数据库缓存、CPU 缓存、MemCache 缓存是两回事。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。

享元模式跟对象池的区别

对象池、连接池（比如数据库连接池）、线程池等也是为了复用，那它们跟享元模式有什么区别呢？虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用，但是对象池、连接池、线程池等池化技术中的“复用”和享元模式中的“复用”实际上是不同的概念。

• 池化技术中的复用可以理解为重复使用，主要目的是节省时间（比如从数据库池中取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。
• 享元模式中的复用可以理解为共享使用，在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。

所以说设计结构类似但是设计意图不同

总结一下

享元模式从概念上看非常简单，意图就是复用相似对象，结构上和多例模式、缓存、池化技术等类似都用到了工厂，但是设计意图却大相径庭，例如多例模式主要用于限制对象个数，缓存时提高对象访问效率，池化技术主要目的是节省时间。从这里也能看出，有些模型设计虽然结构非常类似，但是出发点却不同，这也印证了学习设计模式的出发点应为设计意图而非死记结构，最终结构只是设计的落地方式而已。