「設計模式你學全了嗎」享元模式：減少對象數量

前言

《設計模式自習室》系列，顧名思義，本系列文章帶你溫習常見的設計模式。主要內容有：

• 該模式的介紹，包括： 引子、意圖（大白話解釋） 類圖、時序圖（理論規範）
• 該模式的代碼示例：熟悉該模式的代碼長什麼樣子
• 該模式的優缺點：模式不是萬金油，不可以濫用模式
• 該模式的應用案例：瞭解它在哪些重要的源碼中被使用

該系列會逐步更新於我的博客和公眾號（博客見文章底部），也希望各位觀眾老爺能夠關注我的個人公眾號：後端技術漫談，不會錯過精彩好看的文章。

系列文章回顧

• 【設計模式自習室】開篇：為什麼我們要用設計模式？
• 【設計模式自習室】建造者模式
• 【設計模式自習室】原型模式
• 【設計模式自習室】透徹理解單例模式
• 【設計模式自習室】理解工廠模式的三種形式
• 【設計模式自習室】適配器模式
• 【設計模式自習室】裝飾模式
• 【設計模式自習室】橋接模式 Bridge Pattern：處理多維度變化
• 【設計模式自習室】門面模式 Facade Pattern

結構型——享元模式 Flyweight Pattern

引子

主要用於減少創建對象的數量,以減少內存佔用和提高性能。

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負責維護一個享元池(Flyweight Pool)用於存儲具有相同內部狀態的享元對象。

最經典的享元模式代碼:

<code>class FlyweightFactory {    //定義一個HashMap用於存儲享元對象，實現享元池    private HashMap flyweights = newHashMap();    public Flyweight getFlyweight(String key){        //如果對象存在，則直接從享元池獲取        
if
(flyweights.containsKey(key)){            
return
(Flyweight)flyweights.get(key);        }        //如果對象不存在，先創建一個新的對象添加到享元池中，然後返回        
else
 {            Flyweight fw = newConcreteFlyweight();            flyweights.put(key,fw);            
return
 fw;        }    }}/<code>

定義

運用共享技術有效地支持大量細粒度對象的複用。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複用。由於享元模式要求能夠共享的對象必須是細粒度對象，因此它又稱為輕量級模式，它是一種對象結構型模式。

兩個概念：

• 內部狀態：在享元對象內部不隨外界環境改變而改變的共享部分。
• 外部狀態：隨著環境的改變而改變，不能夠共享的狀態就是外部狀態。

在享元類中要將內部狀態和外部狀態分開處理，通常將內部狀態作為享元類的成員變量，而外部狀態通過注入的方式添加到享元類中。

類圖

如果看不懂UML類圖，可以先粗略瀏覽下該圖，想深入瞭解的話，可以繼續谷歌，深入學習：

享元模式包含如下角色：

• 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

時序圖

時序圖（Sequence Diagram）是顯示對象之間交互的圖，這些對象是按時間順序排列的。時序圖中顯示的是參與交互的對象及其對象之間消息交互的順序。

我們可以大致瀏覽下時序圖，如果感興趣的小夥伴可以去深究一下：

代碼實現

代碼參考：

https://www.cnblogs.com/chenssy/p/3330555.html

假設：我們有一個繪圖的應用程序，通過它我們可以出繪製各種各樣的形狀、顏色的圖形，那麼這裡形狀和顏色就是內部狀態

了，通過享元模式我們就可以實現該屬性的共享了。

抽象享元類Flyweight：繪製圖像的抽象方法

<code>
public
 
abstract
 
class
 
Shape
 {    
public
 
abstract
 
void
 
draw
(
)
;}/<code>

具體享元類ConcreteFlyweight：例子中則是一種繪製某種圖像（圓形）的具體實現類，裡面的顏色則是一個可以共享的內部對象。

<code>
public
 
class
 
Circle
 
extends
 
Shape
{    
private 
 String color;    
public
 
Circle
(String color)
{        
this
.color = color;    }    
public
 
void
 
draw
()
 
{        System.out.println(
"畫了一個"
 + color +
"的圓形"
);    }}/<code>

享元工廠類FlyweightFactory：

利用了HashMap保存已經創建的顏色

<code>
public
 
class
 
FlyweightFactory
{    
static
 Map shapes = 
new
 HashMap();    
public
 
static
 Shape  
getShape
(
String key
)
{        Shape shape = shapes.
get
(key);        /<code>

客戶端調用：

調用相同顏色時，會直接從HashMap中取那個顏色的對象，而不會重複創建相同顏色的對象。

<code>
public
 
class
 
Client
 {    
public
 
static
 
void
 
main
(
String[] args
)
 {        Shape shape1 = FlyweightFactory.getShape(
"紅色"
);        shape1.draw();        Shape shape2 = FlyweightFactory.getShape(
"灰色"
);        shape2.draw();        Shape shape3 = FlyweightFactory.getShape(
"綠色"
);        shape3.draw();        Shape shape4 = FlyweightFactory.getShape(
"紅色"
);        shape4.draw();        Shape shape5 = FlyweightFactory.getShape(
"灰色"
);        shape5.draw();        Shape shape6 = FlyweightFactory.getShape(
"灰色"
);        shape6.draw();        System.
out
.println( 
"一共繪製了"
+FlyweightFactory.getSum()+
"中顏色的圓形"
);    }}/<code>

使用場景舉例

如果一個系統中存在大量的相同或者相似的對象，由於這類對象的大量使用，會造成系統內存的耗費，可以使用享元模式來減少系統中對象的數量。

Integer 中的享元模式

<code>
public
 
static
 
void
 
main
(
String[] args
)
 {        Integer i1 = 
12
 ;        Integer i2 = 
12
 ;        System.
out
.println(i1 == i2);        Integer b1 = 
128
 ;        Integer b2 = 
128
 ;        System.
out
.println(b1 == b2);    }/<code>

輸出是

<code>truefalse/<code>

在Java中，Integer是有緩存池的，緩存了-128~127的int對象

IntegerCache 緩存類：

<code>/
/是Integer內部的私有靜態類,裡面的cache[]就是jdk事先緩存的Integer。private static class IntegerCache {    static final int low = -128;/
/區間的最低值    static final int high;/
/區間的最高值，後面默認賦值為127，也可以用戶手動設置虛擬機參數    static final Integer cache[]; /
/緩存數組    static {        /
/ high value may be configured by property        int h = 127;        /
/這裡可以在運行時設置虛擬機參數來確定h  :-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=250        String integerCacheHighPropValue =            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");        if (integerCacheHighPropValue != null) {/
/用戶設置了            int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);            i = Math.max(i, 127);/
/雖然設置了但是還是不能小於127            /
/ 也不能超過最大值            h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);        }        high = h;        cache = new Integer[(high - low) + 1];        int j = low;        /
/循環將區間的數賦值給cache[]數組        for(int k = 0; k 
/<code>

其他

同理，Long也有緩存池。

String類定義為final（不可改變的），JVM中字符串一般保存在字符串常量池中，java會確保一個字符串在常量池中只有一個拷貝，這個字符串常量池在JDK6.0以前是位於常量池中，位於永久代，而在JDK7.0中，JVM將其從永久代拿出來放置於堆中。

詳細可參考：

http://laijianfeng.org/2018/09/%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%A8%A1%E5%BC%8F-%E4%BA%AB%E5%85%83%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E5%8F%8A%E5%85%B8%E5%9E%8B%E5%BA%94%E7%94%A8/

優缺點

優點

• 享元模式的優點在於它能夠極大的減少系統中對象的個數。
• 享元模式由於使用了外部狀態，外部狀態相對獨立，不會影響到內部狀態，所以享元模式使得享元對象能夠在不同的環境被共享。

缺點

• 由於享元模式需要區分外部狀態和內部狀態，使得應用程序在某種程度上來說更加複雜化了。

參考

• 《HEAD FIRST設計模式》
• https://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/structural_patterns/flyweight.html
• https://www.cnblogs.com/chenssy/p/3330555.html
• http://laijianfeng.org/2018/09/%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%A8%A1%E5%BC%8F-%E4%BA%AB%E5%85%83%E6%A8%A1%E5%BC%8F%E5%8F%8A%E5%85%B8%E5%9E%8B%E5%BA%94%E7%94%A8/

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