设计模式 享元模式

本文将介绍设计模式中的享元模式。

一、什么是享元模式？

如果一个软件系统在运行时所创建的相同或相似对象数量太多，将导致运行代价过高，带来系统资源浪费、性能下降等问题。享元模式正是用于解决这一问题的，它通过共享技术实现相同或相似对象的复用。

享元模式，运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。

二、享元池

在享元模式中，存储共享实例对象的地方被称为享元池。

三、内部状态和外部状态

要实现相同对象的复用非常简单，只需要将对象存入享元池，需要时取出即可。

要做到相似对象的复用，首先便要对这些对象的相同部分和相似部分做抽象，在享元模式中，抽象为内部状态和外部状态，具体如下：

  • 内部状态：
    • 存储在享元对象内部
    • 不会随环境改变而改变
    • 可共享
    • 简单来说，内部状态就是相同部分
  • 外部状态：
    • 通常由调用者保存，在享元对象需要使用时再传入
    • 随环境改变而改变
    • 不可共享
    • 简单来说，外部状态就是相似部分

通过内部状态和外部状态的区分，可以实现相似对象的复用。

四、实现

1. 结构

2. 角色

  • Flyweight 抽象享元类：
    • 通常是接口或抽象类
    • 声明了具体享元类公共的方法，包括：
      • 获取内部状态
      • 设置外部状态
  • ConcreteFlyweight 具体享元类：
    • 实现了 Flyweight 抽象享元类
    • 通常结合单例模式，使得每一个 ConcreteFlyweight 具体享元类都只有一个唯一的实例化对象
  • UnsharedConcreteFlyweight 非共享具体享元类：
    • 并不是所有 Flyweight 抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可以设计为 UnsharedConcreteFlyweight 非共享具体享元类
    • 当需要 UnsharedConcreteFlyweight 非共享具体享元类的实例化对象时，直接通过实例化创建
  • FlyweightFactory 享元工厂类：
    • 用于创建和管理享元对象
    • 它针对抽象享元类编程
    • 将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中
    • 当用户请求一个具体享元对象时，
      • 如果享元池中已存储有实例，则直接返回
      • 否则，创建实例，放入享元池，返回

3. 简单示例

Flyweight：

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public abstract class Flyweight {
    public abstract void operation();
}

ConcreteFlyweight：

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public class ConcreteFlyweight extends Flyweight {
    /**
     * 内部状态
     * <p>维护在对象内部的成员变量中，同一个享元对象的内部状态是一致的
     */
    private String intrinsicState;
    
    /**
     * 操作
     * <p>在进行操作时，由调用者传入外部状态
     * <p>使得同一个对象可以随环境的改变呈现出不同的状态
     */
    public void operation(String extrinsicState) {
        // ···
    }
}

UnsharedConcreteFlyweight：

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public class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight {
    /**
     * 操作
     * <p>在进行操作时，由调用者传入外部状态
     * <p>使得同一个对象可以随环境的改变呈现出不同的状态
     */
    public void operation(String extrinsicState) {
        // ···
    }
}

FlyweightFactory：

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public class FlyweightFactory {
    /**
     * 享元池
     */
    private HashMap<String, Flyweight> flyweightMap = new HashMap<>();
    
    /**
     * 获取享元对象
     */
    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        if (flyweightMap.containsKey(key)) {
            return flyweightMap.get(key);
        }
        Flyweight flyweight = ···;
        flyweightMap.put(key, flyweight);
        return flyweight;
    }
}

五、享元模式与 String

JDK 类库中的 String 类使用了享元模式。

六、优缺点

1. 优点

  • 可以减少内存占用，节省系统资源

2. 缺点

  • 使系统变得更复杂
  • 为实现相似对象的复用，需要抽象内部状态和外部状态

参考

  • 《Java 设计模式》