设计模式-11享元模式(Flyweight Pattern)

1.模式动机

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。

享元模式就是把相同或相似对象的公共部分提取出来变为共享的，而不同的部分为对象私有的。这样设计无疑增加了程序的复杂性。

2.模式定义

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。

属于对象结构型模式。

享元模式的理念：

• 享元模式通过共享技术实现相同或相似对象的重用。
• 在享元模式中可以共享的相同内容称为内部状态(IntrinsicState)，而那些需要外部环境来设置的不能共享的内容称为外部状态(Extrinsic State)，由于区分了内部状态和外部状态，因此可以通过设置不同的外部状态使得相同的对象可以具有一些不同的特征，而相同的内部状态是可以共享的。
• 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。
• 享元模式的目的就是使用共享技术来实现大量细粒度对象的复用。

3.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（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。
• 非享元（Unsharable Flyweight)角色：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（Flyweight Factory）角色：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要求的享元对象，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。

4.模式代码

# 抽象享元角色
public interface Flyweight {
    void operation(UnsharedConcreteFlyweight flyweight);
}

# 非享元角色
import lombok.Getter;
import lombok.Setter;

@Getter
@Setter
public class UnsharedConcreteFlyweight {
    private String info;

    public UnsharedConcreteFlyweight(String info) {
        this.info = info;
    }
}

# 具体享元角色
public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    // 共享的
    private String key;

    public ConcreteFlyweight(String key) {
        this.key = key;
        System.out.println("具体享元：" + key + " 被创建");
    }

    @Override
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight flyweight) {
        System.out.println("具体享元：" + key + "被调用，非享元信息是：" + flyweight.getInfo());
    }
}

# 享元工厂类
public class FlyweightFactory {
    private HashMap<String, Flyweight> flyweightHashMap = new HashMap<>();

    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        Flyweight flyweight = flyweightHashMap.get(key);
        if (flyweight != null) {
            System.out.println("具体享元：" + key + " 已经存在, 被成功获取");
        } else {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(key);
            flyweightHashMap.put(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

# Client
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();

        Flyweight f01 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f02 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f03 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f11 = factory.getFlyweight("b");
        Flyweight f12 = factory.getFlyweight("b");

        f01.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用a"));
        f02.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用a"));
        f03.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第3次调用a"));
        f11.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用b"));
        f12.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用b"));
    }
}

5.总结

分析

• 享元模式是一个考虑系统性能的设计模式，通过使用享元模式可以节约内存空间，提高系统的性能。
• 享元模式的核心在于享元工厂类，享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池，用户需要对象时，首先从享元池中获取，如果享元池中不存在，则创建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。
• 享元模式以共享的方式高效地支持大量的细粒度对象，享元对象能做到共享的关键是区分内部状态(Internal State)和外部状态(External State)。
  • 内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态，因此内部状态可以共享。
  • 外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。享元对象的外部状态必须由客户端保存，并在享元对象被创建之后，在需要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。

优点

• 享元模式的优点在于它可以极大减少内存中对象的数量，使得相同对象或相似对象在内存中只保存一份。
• 享元模式的外部状态相对独立，而且不会影响其内部状态，从而使得享元对象可以在不同的环境中被共享。

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。
• 为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间变长。

使用环境

• 一个系统有大量相同或者相似的对象，由于这类对象的大量使用，造成内存的大量耗费。
• 对象的大部分状态都可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中。
• 使用享元模式需要维护一个存储享元对象的享元池，而这需要耗费资源，因此，应当在多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。

单纯享元模式和复合享元模式

• 单纯享元模式：在单纯享元模式中，所有的享元对象都是可以共享的，即所有抽象享元类的子类都可共享，不存在非共享具体享元类。
• 复合享元模式：将一些单纯享元使用组合模式加以组合，可以形成复合享元对象，这样的复合享元对象本身不能共享，但是它们可以分解成单纯享元对象，而后者则可以共享。

享元模式与其他模式的联用

• 在享元模式的享元工厂类中通常提供一个静态的工厂方法用于返回享元对象，使用简单工厂模式来生成享元对象。
• 在一个系统中，通常只有唯一一个享元工厂，因此享元工厂类可以使用单例模式进行设计。
• 享元模式可以结合组合模式形成复合享元模式，统一对享元对象设置外部状态。