设计模式系列31—享元模式

1 享元模式的定义与特点

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。

1.1 定义

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。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。

1.2 结构

享元模式中存在以下两种状态:
内部状态,即不会随着环境的改变而改变的可共享部分;
外部状态,指随环境改变而改变的不可以共享的部分。享元模式的实现要领就是区分应用中的这两种状态,并将外部状态外部化。下面来分析其基本结构和实现方法,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。

下图是享元模式的结构图。图中的 UnsharedConcreteFlyweight 是非享元角色,里面包含了非共享的外部状态信息 info;而 Flyweight 是抽象享元角色,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;ConcreteFlyweight 是具体享元角色,包含了关键字 key,它实现了抽象享元接口;FlyweightFactory 是享元工厂角色,它逝关键字 key 来管理具体享元;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。
image.png

2 享元模式的优缺点

2.1 优点

享元模式的主要优点是:

  • 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。

在阎宏博士的《JAVA与模式》一书中开头是这样描述享元(Flyweight)模式的:

Flyweight在拳击比赛中指最轻量级,即“蝇量级”或“雨量级”,这里选择使用“享元模式”的意译,是因为这样更能反映模式的用意。享元模式是对象的结构模式。享元模式以共享的方式高效地支持大量的细粒度对象。

这儿以Java中的String类型为例,在JAVA语言中,String类型就是使用了享元模式。String对象是final类型,对象一旦创建就不可改变。在JAVA中字符串常量都是存在常量池中的,JAVA会确保一个字符串常量在常量池中只有一个拷贝。String a="abc",其中"abc"就是一个字符串常量。

public class Test {
   public static void main(String[] args) {
       String a = "abc";
       String b = "abc";
       System.out.println(a==b);
   }
}

上面的例子中结果为:true ,这就说明a和b两个引用都指向了常量池中的同一个字符串常量"abc"。这样的设计避免了在创建N多相同对象时所产生的不必要的大量的资源消耗。

2.2 缺点

其主要缺点是:

  • 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。

3 享元模式的使用场景

前面分析了享元模式的结构与特点,下面分析它适用的应用场景。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。

4 享元模式的实现

享元模式的实现代码如下:

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。"));
    }
}
//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;
    }
}
//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());
    }
}
//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;
    }
}

程序运行结果如下:

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。

5 享元模式的常见问题

享元模式采用一个共享来避免大量拥有相同内容对象的开销。这种开销最常见、最直观的就是内存的损耗。享元对象能做到共享的关键是区分内蕴状态(Internal State)和外蕴状态(External State)。

一个内蕴状态是存储在享元对象内部的,并且是不会随环境的改变而有所不同。因此,一个享元可以具有内蕴状态并可以共享。

一个外蕴状态是随环境的改变而改变的、不可以共享的。享元对象的外蕴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。外蕴状态不可以影响享元对象的内蕴状态,它们是相互独立的。

享元模式可以分成单纯享元模式复合享元模式两种形式。

5.1 单纯享元模式

在单纯的享元模式中,所有的享元对象都是可以共享的,结构如下:
image.png

单纯享元模式所涉及到的角色如下:

  • 抽象享元(Flyweight)角色 :给出一个抽象接口,以规定出所有具体享元角色需要实现的方法。
  • 具体享元(ConcreteFlyweight)角色:实现抽象享元角色所规定出的接口。如果有内蕴状态的话,必须负责为内蕴状态提供存储空间。
  • 享元工厂(FlyweightFactory)角色 :本角色负责创建和管理享元角色。本角色必须保证享元对象可以被系统适当地共享。当一个客户端对象调用一个享元对象的时候,享元工厂角色会检查系统中是否已经有一个符合要求的享元对象。如果已经有了,享元工厂角色就应当提供这个已有的享元对象;如果系统中没有一个适当的享元对象的话,享元工厂角色就应当创建一个合适的享元对象。

抽象享元角色类

public interface Flyweight {
   //一个示意性方法,参数state是外蕴状态
   public void operation(String state);
}

具体享元角色类ConcreteFlyweight有一个内蕴状态,在本例中一个Character类型的intrinsicState属性代表,它的值应当在享元对象被创建时赋予。所有的内蕴状态在对象创建之后,就不会再改变了。

如果一个享元对象有外蕴状态的话,所有的外部状态都必须存储在客户端,在使用享元对象时,再由客户端传入享元对象。这里只有一个外蕴状态,operation()方法的参数state就是由外部传入的外蕴状态。

public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
   private Character intrinsicState = null;
   /**
    * 构造函数,内蕴状态作为参数传入
    * @param state
    */
   public ConcreteFlyweight(Character state){
       this.intrinsicState = state;
   }
   
   /**
    * 外蕴状态作为参数传入方法中,改变方法的行为,
    * 但是并不改变对象的内蕴状态。
    */
   @Override
   public void operation(String state) {
       // TODO Auto-generated method stub
       System.out.println("Intrinsic State = " + this.intrinsicState);
       System.out.println("Extrinsic State = " + state);
   }
}

享元工厂角色类,必须指出的是,客户端不可以直接将具体享元类实例化,而必须通过一个工厂对象,利用一个factory()方法得到享元对象。一般而言,享元工厂对象在整个系统中只有一个,因此也可以使用单例模式。

当客户端需要单纯享元对象的时候,需要调用享元工厂的factory()方法,并传入所需的单纯享元对象的内蕴状态,由工厂方法产生所需要的享元对象。

public class FlyweightFactory {
   private Map<Character,Flyweight> files = new HashMap<Character,Flyweight>();
   
   public Flyweight factory(Character state){
       //先从缓存中查找对象
       Flyweight fly = files.get(state);
       if(fly == null){
           //如果对象不存在则创建一个新的Flyweight对象
           fly = new ConcreteFlyweight(state);
           //把这个新的Flyweight对象添加到缓存中
           files.put(state, fly);
       }
       return fly;
   }
}

客户端类:

public class Client {

   public static void main(String[] args) {
       // TODO Auto-generated method stub
       FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
       Flyweight fly = factory.factory(new Character('a'));
       fly.operation("First Call");
       
       fly = factory.factory(new Character('b'));
       fly.operation("Second Call");
       
       fly = factory.factory(new Character('a'));
       fly.operation("Third Call");
   }
}

虽然客户端申请了三个享元对象,但是实际创建的享元对象只有两个,这就是共享的含义。运行结果如下:
image.png

5.2 复合享元模式

在单纯享元模式中,所有的享元对象都是单纯享元对象,也就是说都是可以直接共享的。还有一种较为复杂的情况,将一些单纯享元使用合成模式加以复合,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。
image.png

复合享元角色所涉及到的角色如下:

抽象享元(Flyweight)角色 :给出一个抽象接口,以规定出所有具体享元角色需要实现的方法。

具体享元(ConcreteFlyweight)角色:实现抽象享元角色所规定出的接口。如果有内蕴状态的话,必须负责为内蕴状态提供存储空间。

复合享元(ConcreteCompositeFlyweight)角色 :复合享元角色所代表的对象是不可以共享的,但是一个复合享元对象可以分解成为多个本身是单纯享元对象的组合。复合享元角色又称作不可共享的享元对象。

享元工厂(FlyweightFactory)角色 :本角 色负责创建和管理享元角色。本角色必须保证享元对象可以被系统适当地共享。当一个客户端对象调用一个享元对象的时候,享元工厂角色会检查系统中是否已经有 一个符合要求的享元对象。如果已经有了,享元工厂角色就应当提供这个已有的享元对象;如果系统中没有一个适当的享元对象的话,享元工厂角色就应当创建一个 合适的享元对象。

抽象享元角色类:

public interface Flyweight {
   //一个示意性方法,参数state是外蕴状态
   public void operation(String state);
}

具体享元角色类:

public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
   private Character intrinsicState = null;
   /**
    * 构造函数,内蕴状态作为参数传入
    * @param state
    */
   public ConcreteFlyweight(Character state){
       this.intrinsicState = state;
   }
   
   /**
    * 外蕴状态作为参数传入方法中,改变方法的行为,
    * 但是并不改变对象的内蕴状态。
    */
   @Override
   public void operation(String state) {
       // TODO Auto-generated method stub
       System.out.println("Intrinsic State = " + this.intrinsicState);
       System.out.println("Extrinsic State = " + state);
   }

}

复合享元对象是由单纯享元对象通过复合而成的,因此它提供了add()这样的聚集管理方法。由于一个复合享元对象具有不同的聚集元素,这些聚集元素在复合享元对象被创建之后加入,这本身就意味着复合享元对象的状态是会改变的,因此复合享元对象是不能共享的。

复合享元角色实现了抽象享元角色所规定的接口,也就是operation()方法,这个方法有一个参数,代表复合享元对象的外蕴状态。一个复合享元对象的所有单纯享元对象元素的外蕴状态都是与复合享元对象的外蕴状态相等的;而一个复合享元对象所含有的单纯享元对象的内蕴状态一般是不相等的,不然就没有使用价值了。

public class ConcreteCompositeFlyweight implements Flyweight {
   
   private Map<Character,Flyweight> files = new HashMap<Character,Flyweight>();
   /**
    * 增加一个新的单纯享元对象到聚集中
    */
   public void add(Character key , Flyweight fly){
       files.put(key,fly);
   }
   /**
    * 外蕴状态作为参数传入到方法中
    */
   @Override
   public void operation(String state) {
       Flyweight fly = null;
       for(Object o : files.keySet()){
           fly = files.get(o);
           fly.operation(state);
       } 
   }
}

享元工厂角色提供两种不同的方法,一种用于提供单纯享元对象,另一种用于提供复合享元对象。

public class FlyweightFactory {
   private Map<Character,Flyweight> files = new HashMap<Character,Flyweight>();
   /**
    * 复合享元工厂方法
    */
   public Flyweight factory(List<Character> compositeState){
       ConcreteCompositeFlyweight compositeFly = new ConcreteCompositeFlyweight();
       
       for(Character state : compositeState){
           compositeFly.add(state,this.factory(state));
       }
       
       return compositeFly;
   }
   /**
    * 单纯享元工厂方法
    */
   public Flyweight factory(Character state){
       //先从缓存中查找对象
       Flyweight fly = files.get(state);
       if(fly == null){
           //如果对象不存在则创建一个新的Flyweight对象
           fly = new ConcreteFlyweight(state);
           //把这个新的Flyweight对象添加到缓存中
           files.put(state, fly);
       }
       return fly;
   }
}

客户端角色:

public class Client {

   public static void main(String[] args) {
       List<Character> compositeState = new ArrayList<Character>();
       compositeState.add('a');
       compositeState.add('b');
       compositeState.add('c');
       compositeState.add('a');
       compositeState.add('b');
       
       FlyweightFactory flyFactory = new FlyweightFactory();
       Flyweight compositeFly1 = flyFactory.factory(compositeState);
       Flyweight compositeFly2 = flyFactory.factory(compositeState);
       compositeFly1.operation("Composite Call");
       
       System.out.println("---------------------------------");        
       System.out.println("复合享元模式是否可以共享对象:" + (compositeFly1 == compositeFly2));
       
       Character state = 'a';
       Flyweight fly1 = flyFactory.factory(state);
       Flyweight fly2 = flyFactory.factory(state);
       System.out.println("单纯享元模式是否可以共享对象:" + (fly1 == fly2));
   }
}

运行结果如下:
image.png

  • 从运行结果可以看出,一个复合享元对象的所有单纯享元对象元素的外蕴状态都是与复合享元对象的外蕴状态相等的。即外运状态都等于Composite Call。
  • 从运行结果可以看出,一个复合享元对象所含有的单纯享元对象的内蕴状态一般是不相等的。即内蕴状态分别为b、c、a。
  • 从运行结果可以看出,复合享元对象是不能共享的。即使用相同的对象compositeState通过工厂分别两次创建出的对象不是同一个对象。
  • 从运行结果可以看出,单纯享元对象是可以共享的。即使用相同的对象state通过工厂分别两次创建出的对象是同一个对象。
更新时间:2020-09-09 10:45:44

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原文链接:http://ql.magic-seven.top/2020/09/09/设计模式系列31享元模式.html
最后更新:2020-09-09 10:45:44

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