享元模式

Java陈序员原创💡2022年6月22日

设计模式

享元模式

大约 7 分钟

享元模式

1.1 应用实例

1.1.1 业务需求

小型的外包项目，给客户做一个产品展示网站，不同的客户要求不同：

有客户要求以新闻的形式发布
有客户人要求以博客的形式发布
有客户希望以微信公众号的形式发布

1.1.2 解决方案

直接复制粘贴一份，然后根据客户不同要求，进行定制修改
给每个网站租用一个空间

1.3 问题分析

需要的网站结构相似度很高，而且都不是高访问量网站，如果分成多个虚拟空间来处理，相当于一个相同网站的实例对象很多，造成服务器的资源浪费。
解决思路：整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，对于硬盘、内存、CPU、数据库空间等服务器资源都可以达成共享，减少服务器资源。
对于代码来说，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易。
上面的解决思路就可以使用享元模式来解决。

1.2 享元模式

1.2.1 基本介绍

享元模式（Flyweight Pattern）也叫蝇量模式，运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
常用于系统底层开发，解决系统的性能问题。像数据库连接池，里面都是创建好的连接对象，在这些连接对象中有我们需要的则直接拿来用，避免重新创建，如果没有我们需要的，则创建一个。
享元模式能够解决重复对象的内存浪费的问题，当系统中有大量相似对象，需要缓冲池时。不需总是创建新对象，可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率。
享元模式经典的应用场景就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，享元模式是池技术的重要实现方式。

1.2.2 原理类图

对原理图的说明-即(模式的角色及职责)

FlyWeight 是抽象的享元角色，是产品的抽象类，同时定义出对象的外部状态和内部状态的接口或实现。
ConcreteFlyWeight 是具体的享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义相关业务。
UnSharedConcreteFlyWeight 是不可共享的角色，一般不会出现在享元工厂。
FlyWeightFactory 享元工厂类，用于构建一个池容器(集合)，同时提供从池中获取对象方法。

内部状态和外部状态

比如围棋、五子棋、跳棋，它们都有大量的棋子对象，围棋和五子棋只有黑白两色，跳棋颜色多一点，所以棋子颜色就是棋子的内部状态；而各个棋子之间的差别就是位置的不同，当我们落子后，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以棋子坐标就是棋子的外部状态。

享元模式提出了两个要求：细粒度和共享对象。这里就涉及到内部状态和外部状态了，即将对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。
内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部且不会随环境的改变而改变
外部状态指对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。
举个例子：围棋理论上有 361 个空位可以放棋子，每盘棋都有可能有两三百个棋子对象产生，因为内存空间有限，一台服务器很难支持更多的玩家玩围棋游戏，如果用享元模式来处理棋子，那么棋子对象就可以减少到只有两个实例，这样就很好的解决了对象的开销问题。

1.2.3 代码实现

思路分析和图解(类图)

代码实现

创建享元抽象类 AbstractWebSite

public abstract class AbstractWebSite {

    public abstract void use(User user);

}

User 类

public class User {

    private String name;

    public User(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

创建具体享元类 ConcreteWebSite

public class ConcreteWebSite extends AbstractWebSite {

    /**
     * 共享状态/内部状态
     */
    private String type;

    public ConcreteWebSite(String type) {
        this.type = type;
    }

    @Override
    public void use(User user) {
        System.out.println(user.getName() + " 正在使用 " + getType() + " 网站...");
    }

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void setType(String type) {
        this.type = type;
    }
}

创建享元工厂类 WebSiteFactory

public class WebSiteFactory {

    private static final Map<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();

    public static AbstractWebSite getWebSite(String type) {
        if (!pool.containsKey(type)) {
            pool.put(type, new ConcreteWebSite(type));
        }

        return pool.get(type);
    }

    public static int getWebSiteCount() {
        return pool.size();
    }
}

创建客户端调用

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        User tom = new User("Tom");
        AbstractWebSite webSite01 = WebSiteFactory.getWebSite("news");
        webSite01.use(tom);
        System.out.println(WebSiteFactory.getWebSiteCount());

        AbstractWebSite webSite02 = WebSiteFactory.getWebSite("blog");
        webSite02.use(tom);
        System.out.println(WebSiteFactory.getWebSiteCount());

        AbstractWebSite webSite03 = WebSiteFactory.getWebSite("news");
        webSite03.use(tom);
        System.out.println(WebSiteFactory.getWebSiteCount());

        // 输出
        // Tom 正在使用 news 网站...
        // 1
        // Tom 正在使用 blog 网站...
        // 2
        // Tom 正在使用 news 网站...
        // 2

    }
}

1.3 享元模式在 JDK-Integer 的应用源码分析

Integer 中用到享元模式

代码分析 + Debug 源码 + 说明

Integer 的使用

public class FlyweightTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 如果 Integer.valueOf(x) x的值在 [-128,127] 之间，就使用享元模式直接返回，如果不在范围内，用 new 的方式继续创建对象

        /**
         * 源码分析
         *  1. 在 valueOf() 方法中，先判断值是否在 IntegerCache 中，如果不在，就创建新的 Integer(new),否则就直接从缓存池中取；
         *  2. valueOf() 使用到了享元模式
         *  3. 如果使用 Integer 的值在 [-128,127] 之间，可以用 valueOf() 方法，valueOf() 方法会比 new Integer() 块
         */

        Integer x = Integer.valueOf(127);
        Integer y = Integer.valueOf(127);

        Integer x1 = Integer.valueOf(256);
        Integer y1 = Integer.valueOf(256);

        Integer x2 = new Integer(127);
        Integer y2 = new Integer(127);

        System.out.println(x.equals(y)); // true
        System.out.println(x == y); // true
        System.out.println(x1.equals(y1)); // true
        System.out.println(x1 == y1); // false
        System.out.println(x2.equals(y2)); // true
        System.out.println(x2 == y2); // false
    }
}

Integer 源码

valueOf() 方法

public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

IntegerCache 初始化

private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;
    static final int high;
    static final Integer cache[];

    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
        String integerCacheHighPropValue =
            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
        if (integerCacheHighPropValue != null) {
            try {
                int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                i = Math.max(i, 127);
                // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
            } catch( NumberFormatException nfe) {
                // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
            }
        }
        high = h;
        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);

        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
        assert IntegerCache.high >= 127;
    }

    private IntegerCache() {}
}

1.4 享元模式的注意事项和细节

在享元模式这样理解，“享”就表示共享，“元”表示对象。
系统中有大量对象，这些对象消耗大量内存，并且对象的状态大部分可以外部化时，我们就可以考虑选用享元模式。
用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象，用 HashMap/HashTable 存储。
享元模式大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率。
享元模式提高了系统的复杂度，需要分离出内部状态和外部状态，而外部状态具有固化特性，不应该随着内部状态的改变而改变，这是我们使用享元模式需要注意的地方。
使用享元模式时，注意划分内部状态和外部状态，并且需要有一个工厂类加以控制。
享元模式经典的应用场景是需要缓冲池的场景，比如 String常量池、数据库连接池。

享元模式

# 享元模式

# 1.1 应用实例

# 1.1.1 业务需求

# 1.1.2 解决方案

# 1.3 问题分析

# 1.2 享元模式

# 1.2.1 基本介绍

# 1.2.2 原理类图

# 1.2.3 代码实现

# 1.3 享元模式在 JDK-Integer 的应用源码分析

# 1.4 享元模式的注意事项和细节

享元模式

1.1 应用实例

1.1.1 业务需求

1.1.2 解决方案

1.3 问题分析

1.2 享元模式

1.2.1 基本介绍

1.2.2 原理类图

1.2.3 代码实现

1.3 享元模式在 JDK-Integer 的应用源码分析

1.4 享元模式的注意事项和细节