你所不知道的Java设计之享元模式

享元模式(Flyweight Pattern):运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用,系统只使用少量对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象,因此它又称为轻量级模式,它是一种对象结构型模式。

当系统中存在大量相似或相同的对象时,将会导致运行代价过高、性能下降、OOM 等问题,享元模式正为解决之一类问题而诞生

在学习享元模式之前需要先了解一下 细粒度 和享元对象中的 内部状态、外部状态 这三个概念:

  • 内部状态:不随环境改变而改变的状态,内部状态可以共享,例如人的性别,不管任何环境下都不会改变
  • 外部状态:随着环境改变而改变的状态,不可以共享的状态,享元对象的外部状态通常由客户端保存,并在享元对象创建后,需要的时候传入享元对象内部,不同的外部状态是相互独立的。例如衣服和鞋子,人在不同的环境下会穿不同的衣服和鞋子,但是衣服和鞋子又是相互独立不受彼此影响的
  • 细粒度:较小的对象,所包含的内部状态较小

Flyweight(抽象享元类):通常是接口或抽象类,抽象享元类中声明了具体享元类公共方法,这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据(内部状态),同时也可以通过这些方法来设置外部数据(外部状态)

ConcreteFlyweight(具体享元类):继承抽象享元类,在具体享元类中为内部状态提供存储空间。通常可以结合单例模式来设计具体享元类,为每一个具体享元类提供唯一的享元对象

UnshareConcreteFlyweight(非分享具体享元类):并不是所有的具体享元类都需要被共享,不能被共享的子类可以设计为非共享具体享元类,当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建

FlyweightFactory(享元工厂类):创建并管理享元对象,将各种具体享元类存储到一个享元池中,享元池一般为“键值对”集合,可以结合工厂模式进行设计。当用户请求一个具体享元对象时,享元池中如果保存的有就直接返回给用户,如果没有就创建该享元对象返回给用户并存储到享元池中

上面的图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块,这次就拿这个游戏举个栗子,如果在俄罗斯方块这个游戏中,每个不同的方块都是一个实例对象,这些对象就要占用很多的内存空间,下面利用享元模式进行改造: Flyweight 类:

public abstract class AbstractBox {    
    public abstract String getShape();    
        public void display() {
        LogUtils.i("方块形状:" + this.getShape());
    }
}

ConcreteFlyweight 类:

// I形方块
public class IBox extends AbstractBox {
    @Override
    public String getShape() {        
        return "I";
    }
}
// L形方块
public class LBox extends AbstractBox {
    @Override
    public String getShape() {        
        return "L";
    }
}
  // O形方块
public class OBox extends AbstractBox {
    @Override
    public String getShape() {        
      return "O";
    }
}

FlyweightFactory 类:

public class BoxFactory {    
    private static class SingletonHolder {        
         private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory();
    }    
     public static final BoxFactory getInstance() {        
         return SingletonHolder.INSTANCE;
    }    
   private static Hashtable<String, AbstractBox> sHashtable;    
   private BoxFactory() {
        sHashtable = new Hashtable<>();
        AbstractBox iBox = new IBox();
        AbstractBox lBox = new LBox();
        AbstractBox oBox = new OBox();
        sHashtable.put("I", iBox);
        sHashtable.put("L", lBox);
        sHashtable.put("O", oBox);
    }    
   public AbstractBox getBox(String key) {        
       return sHashtable.get(key);
    }
}

Client 类:

AbstractBox i1 = BoxFactory.getInstance().getBox("I");
i1.display();
AbstractBox i2 = BoxFactory.getInstance().getBox("L");
i2.display();
AbstractBox i3 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
i3.display();
AbstractBox i4 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
i4.display();// 用 == 对比两个对象的内存地址
LogUtils.i("两个对象是否相等:" + (i3 == i4));

可以看出,所有的方块都从工厂类中获取,而且是同一个对象,不用重新创建对象导致占用过多的内存。看完了之后内部状态的享元模式,下面接着看带有外部状态的享元模式,接下来给不同的方块染上不同的染色:

FlyweightFactory 类:

public class ExtrinsicStateBoxFactory {    
    private static class SingletonHolder {        
        private static final ExtrinsicStateBoxFactory INSTANCE = new ExtrinsicStateBoxFactory();
    }    
    public static final ExtrinsicStateBoxFactory getInstance() {        
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }    
    private static Hashtable<String, ExtrinsicStateBox> sHashtable;    
        private ExtrinsicStateBoxFactory() {
        sHashtable = new Hashtable<>();
        ExtrinsicStateBox jBox = new JBox();
        sHashtable.put("J", jBox);
    }    
    public ExtrinsicStateBox getBox(String key) {        
        return sHashtable.get(key);
    }
}

ConcreteFlyweight 类:

public class JBox extends ExtrinsicStateBox {
    @Override
    public String getShape() {        
        return "J";
    }
}

Flyweight 类:

public abstract class ExtrinsicStateBox {    
    public abstract String getShape();    
        public void display(String color) {
        LogUtils.i("方块形状:" + this.getShape() + " 颜色:" + color);
    }
}

在调用 display() 的时候传入颜色的外部状态,虽然方块对象还是一个对象,但是它们可以具有不同的颜色

优点

  • 极大减少内存中相似或相同对象数量,节约系统资源,提供系统性能
  • 享元模式中的外部状态相对独立,且不影响内部状态

缺点

  • 为了使对象可以共享,需要将享元对象的部分状态外部化,分离内部状态和外部状态,使程序逻辑复杂

适用场景

  • 系统中具有大量相同或相似对象
  • 对象大部分状态都可以外部化
  • 享元池耗费一定系统资源,需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式

声明:本文出处 你所不知道的Java设计之享元模式 - Java互联网架构师的博客 - CSDN博客


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发布于 2018-12-23

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