【设计模式自习室】享元模式:减少对象数量

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所属分类:实用软件

前言

《设计模式自习室》系列,顾名思义,本系列文章带你温习常见的设计模式。主要内容有:

  • 该模式的介绍,包括:
  • 引子、意图(大白话解释)
  • 类图、时序图(理论规范)
  • 该模式的代码示例:熟悉该模式的代码长什么样子
  • 该模式的优缺点:模式不是万金油,不可以滥用模式
  • 该模式的应用案例:了解它在哪些重要的源码中被使用

该系列会逐步更新于我的博客和公众号(博客见文章底部),也希望各位观众老爷能够关注我的个人公众号:后端技术漫谈,不会错过精彩好看的文章。

系列文章回顾

  • 【设计模式自习室】开篇:为什么我们要用设计模式?
  • 【设计模式自习室】建造者模式
  • 【设计模式自习室】原型模式
  • 【设计模式自习室】透彻理解单例模式
  • 【设计模式自习室】理解工厂模式的三种形式
  • 【设计模式自习室】适配器模式
  • 【设计模式自习室】幕后英雄:装饰模式
  • 【设计模式自习室】桥接模式 Bridge Pattern:处理多维度变化
  • 【设计模式自习室】门面模式 Facade Pattern

结构型——享元模式 Flyweight Pattern

引子

主要用于减少创建对象的数量,以减少内存占用和提高性能。

在享元模式中通常会出现工厂模式,需要创建一个享元工厂来负责维护一个享元池(Flyweight Pool)用于存储具有相同内部状态的享元对象。

最经典的享元模式代码:

class FlyweightFactory {

    //定义一个HashMap用于存储享元对象,实现享元池
    private HashMap flyweights = newHashMap();

    public Flyweight getFlyweight(String key){

        //如果对象存在,则直接从享元池获取
        if(flyweights.containsKey(key)){
            return(Flyweight)flyweights.get(key);
        }

        //如果对象不存在,先创建一个新的对象添加到享元池中,然后返回
        else {
            Flyweight fw = newConcreteFlyweight();
            flyweights.put(key,fw);
            return fw;
        }
    }
}

定义

运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象,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。

两个概念:

  • 内部状态:在享元对象内部不随外界环境改变而改变的共享部分。
  • 外部状态:随着环境的改变而改变,不能够共享的状态就是外部状态。

在享元类中要将内部状态和外部状态分开处理,通常将内部状态作为享元类的成员变量,而外部状态通过注入的方式添加到享元类中。

类图

如果看不懂UML类图,可以先粗略浏览下该图,想深入了解的话,可以继续谷歌,深入学习:

享元模式包含如下角色:

  • Flyweight: 抽象享元类
  • ConcreteFlyweight: 具体享元类
  • UnsharedConcreteFlyweight: 非共享具体享元类
  • FlyweightFactory: 享元工厂类

    时序图

时序图(Sequence Diagram)是显示对象之间交互的图,这些对象是按时间顺序排列的。时序图中显示的是参与交互的对象及其对象之间消息交互的顺序。

我们可以大致浏览下时序图,如果感兴趣的小伙伴可以去深究一下:

代码实现

代码参考:

假设:我们有一个绘图的应用程序,通过它我们可以出绘制各种各样的形状、颜色的图形,那么这里形状和颜色就是内部状态了,通过享元模式我们就可以实现该属性的共享了。

抽象享元类Flyweight:绘制图像的抽象方法

public abstract class Shape {
    public abstract void draw();
}

具体享元类ConcreteFlyweight:例子中则是一种绘制某种图像(圆形)的具体实现类,里面的颜色则是一个可以共享的内部对象。

public class Circle extends Shape{
    private String color;
    public Circle(String color){
        this.color = color;
    }

    public void draw() {
        System.out.println("画了一个" + color +"的圆形");
    }

}

享元工厂类FlyweightFactory:

利用了HashMap保存已经创建的颜色

public class FlyweightFactory{
    static Map<String, Shape> shapes = new HashMap<String, Shape>();

    public static Shape getShape(String key){
        Shape shape = shapes.get(key);
        //如果shape==null,表示不存在,则新建,并且保持到共享池中
        if(shape == null){
            shape = new Circle(key);
            shapes.put(key, shape);
        }
        return shape;
    }

    public static int getSum(){
        return shapes.size();
    }
}

客户端调用:

调用相同颜色时,会直接从HashMap中取那个颜色的对象,而不会重复创建相同颜色的对象。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Shape shape1 = FlyweightFactory.getShape("红色");
        shape1.draw();

        Shape shape2 = FlyweightFactory.getShape("灰色");
        shape2.draw();

        Shape shape3 = FlyweightFactory.getShape("绿色");
        shape3.draw();

        Shape shape4 = FlyweightFactory.getShape("红色");
        shape4.draw();

        Shape shape5 = FlyweightFactory.getShape("灰色");
        shape5.draw();

        Shape shape6 = FlyweightFactory.getShape("灰色");
        shape6.draw();

        System.out.println("一共绘制了"+FlyweightFactory.getSum()+"中颜色的圆形");
    }
}

使用场景举例

如果一个系统中存在大量的相同或者相似的对象,由于这类对象的大量使用,会造成系统内存的耗费,可以使用享元模式来减少系统中对象的数量。

Integer 中的享元模式

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);
    }

输出是

true
false

在Java中,Integer是有缓存池的,缓存了-128~127的int对象

IntegerCache 缓存类:

//是Integer内部的私有静态类,里面的cache[]就是jdk事先缓存的Integer。
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;//区间的最低值
    static final int high;//区间的最高值,后面默认赋值为127,也可以用户手动设置虚拟机参数
    static final Integer cache[]; //缓存数组

    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
        //这里可以在运行时设置虚拟机参数来确定h  :-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=250
        String integerCacheHighPropValue =
            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
        if (integerCacheHighPropValue != null) {//用户设置了
            int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
            i = Math.max(i, 127);//虽然设置了但是还是不能小于127
            // 也不能超过最大值
            h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
        }
        high = h;

        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        //循环将区间的数赋值给cache[]数组
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);
    }

    private IntegerCache() {}
}

其他

同理,Long也有缓存池。

String类定义为final(不可改变的),JVM中字符串一般保存在字符串常量池中,java会确保一个字符串在常量池中只有一个拷贝,这个字符串常量池在JDK6.0以前是位于常量池中,位于永久代,而在JDK7.0中,JVM将其从永久代拿出来放置于堆中。

详细可参考:

优缺点

优点

  • 享元模式的优点在于它能够极大的减少系统中对象的个数。
  • 享元模式由于使用了外部状态,外部状态相对独立,不会影响到内部状态,所以享元模式使得享元对象能够在不同的环境被共享。

缺点

  • 由于享元模式需要区分外部状态和内部状态,使得应用程序在某种程度上来说更加复杂化了。
    参考

  • 《HEAD FIRST设计模式》

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