设计模式：享元模式

关于

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。

例如，围棋和五子棋中的黑白棋子，图像中的坐标点或颜色，局域网中的路由器、交换机和集线器，教室里的桌子和凳子等。这些对象有很多相似的地方，如果能把它们相同的部分提取出来共享，则能节省大量的系统资源，这就是享元模式的产生背景。

享元（Flyweight）模式的定义：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。【将相同的部分提取出来复用】

• 它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

优点和缺点

优点：

• 相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。

缺点：

• 为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。
• 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

应用场景

当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多出需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，降低大量内存空间的消耗。

享元模式其实是工厂方法模式的一个改进机制，享元模式同样要求创建一个或一组对象，并且就是通过工厂方法模式生成对象的，只不过享元模式为工厂方法模式增加了缓存这一功能。

享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式：

• 系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源。
• 大部分的对象可以按照内部状态进行分组，且可将不同部分外部化，这样每一个组只需保存一个内部状态。
• 由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式。

结构与实现

享元模式的定义提出了两个要求，细粒度和共享对象。因为要求细粒度，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：

1. 内部状态：指对象共享出来的信息，存储在享元信息内部，并且不回随环境的改变而改变；
2. 外部状态：指对象得以依赖的一个标记，随环境的改变而改变，不可共享。

比如，连接池中的连接对象，保存在连接对象中的用户名、密码、连接URL等信息，在创建对象的时候就设置好了，不会随环境的改变而改变，这些为内部状态。而当每个连接要被回收利用时，我们需要将它标记为可用状态，这些为外部状态。

享元模式的本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

结构

享元模式的主要角色如下：

1. 抽象享元（Flyweight）角色：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。
2. 具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。
3. 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。
4. 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。

其结构如下：

其中：

• 抽象享元角色，里面包含了享元方法“operation(UnsharedConcreteFlyweight state)”，非享元的外部状态以参数的形式通过该方法传入；
• 客户角色通过享元工厂获取具体享元，并访问具体享元的相关方法。

实现

其代码如下：

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

//具体享元角色
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String key;
    ConcreteFlyweight(String key) {
        this.key = key;
        System.out.println("具体享元" + key + "被创建！");
    }
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight outState) {
        System.out.print("具体享元" + key + "被调用，");
        System.out.println("非享元信息是:" + outState.getInfo());
    }
}

//非享元角色
class UnsharedConcreteFlyweight {
    private String info;
    UnsharedConcreteFlyweight(String info) {
        this.info = info;
    }
    
    public String getInfo() {
        return info;
    }
    public void setInfo(String info) {
        this.info = info;
    }
}

//享元工厂角色
class FlyweightFactory {
    private HashMap<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<String, Flyweight>();
    
    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        Flyweight flyweight = (Flyweight) flyweights.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);
            flyweights.put(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

public class FlyweightPattern {
    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。"));
    }
}

具体享元a被创建！
具体享元a已经存在，被成功获取！
具体享元a已经存在，被成功获取！
具体享元b被创建！
具体享元b已经存在，被成功获取！
具体享元a被调用，非享元信息是:第1次调用a。
具体享元a被调用，非享元信息是:第2次调用a。
具体享元a被调用，非享元信息是:第3次调用a。
具体享元b被调用，非享元信息是:第1次调用b。
具体享元b被调用，非享元信息是:第2次调用b。

模式的扩展

在实际使用过程中，存在两种特殊的享元模式：

1. 单纯享元模式：

   这种享元模式中的所有的具体享元类都是可以共享的，不存在非共享的具体享元类；【无“非享元角色”】

   

2. 复合享元模式：

   这种享元模式中的有些享元对象是由一些单纯享元对象组合而成的，它们就是复合享元对象；【“具体享元角色”是多个“单纯享元”的组合】

   • 虽然复合享元对象本身不能共享，但它们可以分解成单纯享元对象再被共享。