享元模式 FlyWeight 結構型 設計模式（十五）

来源:https://www.cnblogs.com/noteless/archive/2018/12/06/10074969.html
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享元模式是一種很常用的思想，核心就是共用，剝離事物的內部狀態與外部狀態，本文對享元模式 FlyWeight進行了簡單介紹，並且給出了該模式的意圖，結構，並且介紹了享元模式的兩種應用方式單純享元模式與複合享元模式，並且給出來了Java的示例代碼。享元模式的特點，結構，使用場景，都可以在本文中找到。 ...


享元模式（FlyWeight）  “享”取“共用”之意，“元”取“單元”之意。 image_5c087c0a_b27

意圖

運用共用技術，有效的支持大量細粒度的對象。

意圖解析

面向對象的程式設計中，一切皆是對象，這也就意味著系統的運行將會依賴大量的對象。 試想，如果對象的數量過多，勢必會增加系統負擔，導致運行的代價過高。 下麵看兩個小例子理解下 1.）有一首歌曲叫做《大舌頭》 其中有一句歌詞“說說說說 說你愛我 我我我我 說不出口” image_5c087c0a_3c7e 如果使用面向對象的編程方式對這段歌詞進行描述，假設一個漢字表示一個對象，你會怎麼做？ 你會用七個還是十六個對象進行表示？ image_5c087c0a_1241   2.）有一個文本編輯器軟體，對於每一個字元使用對象進行表示 當打開一篇有很多重覆字元的、數萬字的文章時，你會使用幾個對象進行表示？ 如果仍舊採用每個字元占用一個對象，系統勢必崩潰，必然需要共用對象   上面的兩個例子中，都涉及到重覆對象的概念  而享元模式的意圖就是如此，將重覆的對象進行共用以達到支持大量細粒度對象的目的。 如果不進行共用，如例2中描述的那樣，一篇數萬字元的文章將會產生數萬個對象，這將是一場可怕的災難。 image_5c087c0a_7394 flyweight意為輕量級 在我們當前的場景下，寓意為通過共用技術，輕量級的---也就是記憶體占用更小 本質就是“共用”所以中文翻譯過來多稱之為享元 簡言之，享元模式就是要“共用對象” 對於Java語言，我們熟悉的String，就是享元模式的運用 String是不可變對象，一旦創建，將不會改變 在JVM內部，String對象都是共用的 如果一個系統中的兩個String對象，包含的字元串相同，只會創建一個String對象提供給兩個引用 從而實現String對象的共用（new 的對象是兩個不同的） image_5c087c0a_149c 享元模式又不僅僅是簡單的“共用對象” 上面的兩個小例子中，對於文字中的重覆字元 可以通過共用對象的方式，對某些對象進行共用，從而減少記憶體開銷。 考慮下圖中的情景，這裡面所有的“你”字，到底是不是同樣的？
  • 是，因為全部都是漢字“你”
  • 不是，因為儘管都是漢字“你”，但是他們的字體，顏色，字型大小，卻又明顯不同，所以不是同樣的
image_5c087c0b_388b   如果將字體、顏色、字型大小，作為“你”這個漢字的狀態 是不是可以認為：他們都是一樣的漢字，但是他們卻又具有不同的狀態？ 其實享元模式不僅僅用來解決大量重覆對象的共用問題，還能夠用來解決相似對象的問題。 享元對象能夠共用的關鍵在於：區分對象的內部狀態和外部狀態 內部狀態是存儲在享元對象內部的，並且不會隨環境的變化而有所改變。 比如上面的漢字“你”，無論在任何情況下，漢字“你”，始終是“你”，不會變成“她” 所以說享元模式解決共用問題，本質是共用內部狀態 外部狀態是隨外部環境變化而變化，不能共用的狀態。 享元對象的外部狀態通常由客戶端保存，在必要的時候在傳遞到享元對象內部 比如上面漢字“你”的字體、顏色、字型大小就是外部狀態。   

小結

享元模式就是為了避免系統中出現大量相同或相似的對象，同時又不影響客戶端程式通過面向對象的方式對這些對象進行操作 享元模式通過共用技術，實現相同或相似對象的重用 比如文編編輯器讀取文本 在邏輯上每一個出現的字元都有一個對象與之對應，然而在物理上它們卻共用同一個享元對象 在享元模式中，存儲這些共用實例對象的地方通常叫做享元池(Flyweight  Pool) 享元模式可以結合String的intern()方法一起進行理解   通過區分了內部狀態和外部狀態，就可以將相同內部狀態的對象存儲在池中，池中的對象可以實現共用 需要的時候將對象從池中取出，實現對象的復用 通過向取出的對象註入不同的外部狀態，進而得到一些列相似的對象 而這些看似各異的對象在記憶體中，僅僅存儲了一份，大大節省了空間，所以說很自然的命名為“flyweight”輕量級

享元工廠

通過對意圖的認識，可以認為，享元模式其實就是對於“程式中會出現的大量重覆或者相似對象”的一種“重構” 當然，你應該是在設計之初就想到這個問題，而不是真的出現問題後再去真的重構 比如，你想要設計“字元”這種對象時，就應該考慮到他的“大量””重覆““相似”的特點 所以需要分析出字元的內部狀態，與外部狀態 上面也提到對於享元對象，通過享元池進行管理 對於池的管理通常使用工廠模式，藉助於工廠類對享元池進行管理 用戶需要對象時，通過工廠類獲取 工廠提供一個存儲在享元池中的已創建的對象實例，或者創建一個新的實例

示例代碼

針對於上面的例子，漢字“你”作為內部狀態，可以進行共用 “顏色”作為外部狀態，由客戶端保存傳遞 創建字元類 Character、漢字字元類ChineseCharacter、顏色類Color以及工廠類CharacterFactory Color含有顏色屬性,通過構造方法設置,getter方法獲取 
package flyweight;
public class Color {
    public String Color;
    public Color(String color) {
        this.Color = color;
    }
    public String getColor() {
        return Color;
    }
}

 

Character 抽象的字元類,用於描述字元 
package flyweight;
public abstract class Character {
    public abstract String getValue();
     
    public void display(Color color) {
        System.out.println("字元: " + getValue() + " ,顏色: " + color.getColor());
    }
}
漢字字元類，為了簡化，直接設置value為漢字“你”

 

package flyweight;
public class ChineseCharacter extends Character {
    @Override
    public String getValue() {
        return "你";
    }
}
CharacterFactory字元工廠類 通過單例模式創建工廠 內部HashMap用於存儲字元，並且提供獲取方法 為了簡化程式，初始就創建了一個漢字字元“你”存儲於字元中 
package flyweight;
import java.util.HashMap;
public class CharacterFactory {
    /**
    * 單例模式 餓漢式創建
    */
    private static CharacterFactory instance = new CharacterFactory();
    /**
    * 使用HashMap管理享元池
    */
    private HashMap<String, Object> hm = new HashMap<>();
    private CharacterFactory() {
        Character character = new ChineseCharacter();
        hm.put("你", character);
    }
    /**
    * 單例全局訪問介面獲取工廠
    */
    public static CharacterFactory getInstance() {
        return instance;
    }
     
    /**
    * 根據key獲取池中的對象
    */
    public Character getCharacter(String key) {
        return (Character) hm.get(key);
    }
}
測試代碼 image_5c087c0b_6037 示例中,我們通過工廠,從享元池中獲取了三個漢字字元“你”。 通過 == 可以看得出來，他們都是同一個對象 在分別調用他們的display方法時，在客戶端（此處為我們的Test main方法）中創建，並且傳遞給享元對象 通過方法參數的形式進行外部狀態的設置。 image_5c087c0b_2137   CharacterFactory 單例模式，返回自身實例 CharacterFactory內部維護Character的享元池 Character 依賴Color ChineseCharacter是Character的實現類

結構

將上面的示例轉換為標準的享元模式的名稱 image_5c087c0b_1edf   抽象享元角色 FlyWeight 所有具體享元類的超類，為這些類規定了需要實現的公共介面 外部狀態可以通過業務邏輯方法的參數形式傳遞進來 具體享元角色ConcreteFlyWeight 實現抽象享元角色所規定的的介面 需要保存內部狀態，而且，內部狀態必須與外部狀態無關 從而才能使享元對象可以在系統內共用 享元工廠角色 FlyWeightFactory 負責創建和管理享元角色，也就是維護享元池 必須保證享元對象可以被系統適當的共用 接受客戶端的請求 如果有適當符合要求的享元對象，則返回 如果沒有一個適當的享元對象，則創建 客戶端角色Client
客戶端角色維護了對所有享元對象的引用 image_5c087c0b_69dd 需要保存維護享元對象的外部狀態，然後通過享元對象的業務邏輯方法作為參數形式傳遞 image_5c087c0b_6b32

分類

單純享元模式

在上面的結構中，如果所有的ConcreteFlyWeight都可以被共用 也就是所有的FlyWeight子類都可以被共用，那就是所有的享元對象都可以被共用 這種形式被稱之為單純享元模式 單純享元代碼 
package flyweight.simple;
public abstract class FlyWeight {
/**
* 抽象的業務邏輯方法,接受外部狀態作為參數
*/
abstract public void operation(String outerState);
}
package flyweight.simple;
public class ConcreteFlyWeight extends FlyWeight {
    private String innerState = null; 
    public ConcreteFlyWeight(String innerState) {
        this.innerState = innerState;
    } 
    /**
    * 外部狀態作為參數傳遞
    */
    @Override
    public void operation(String outerState) {
        System.out.println("innerState = " + innerState + " outerState = " + outerState);
    }
}
package flyweight.simple;
import java.util.HashMap;
public class FlyWeightFactory {
    /**
    * 單例模式 餓漢式創建
    */
    private static FlyWeightFactory instance = new FlyWeightFactory();
    /**
    * 使用HashMap管理享元池
    */
    private HashMap<String, Object> hm = new HashMap<>();
     
    private FlyWeightFactory() {
    }
    /**
    * 單例全局訪問介面獲取工廠
    */
    public static FlyWeightFactory getInstance() {
    return instance;
    }
    /**
    * 根據innerState獲取池中的對象
    * 存在返回，不存在創建並返回
    */
    public FlyWeight getFylWeight(String innerState) {
        if(hm.containsKey(innerState)){
        return (FlyWeight) hm.get(innerState);
        }else{
        FlyWeight flyWeight = new ConcreteFlyWeight(innerState);
        hm.put(innerState,flyWeight);
        return flyWeight;
        }
    }
}

 

package flyweight.simple;
public class Test {
public static void main(String[] args){
FlyWeightFactory flyWeightFactory = FlyWeightFactory.getInstance();
FlyWeight flyWeight1 = flyWeightFactory.getFylWeight("First");
FlyWeight flyWeight2 = flyWeightFactory.getFylWeight("Second");
FlyWeight flyWeight3 = flyWeightFactory.getFylWeight("First");

System.out.println(flyWeight1);
System.out.println(flyWeight2);
System.out.println(flyWeight3);
System.out.println();

flyWeight1.operation("outer state XXX");
flyWeight2.operation("outer state YYY");
flyWeight3.operation("outer state ZZZ");
}
}

 

  image_5c087c0b_75b6   

複合享元模式

與單純享元模式對應的是複合享元模式 單純享元模式中，所有的享元對象都可以共用 複合享元模式中，則並不是所有的ConcreteFlyWeight都可以被共用 也就是說：不是所有的享元對象都可以被共用 實際上，並不是所有的FlyWeight子類都需要被共用 FlyWeight介面使的可以進行共用，但是沒有任何必要 強制必須共用 實踐中，UnsharedConcreteFlyWeight對象通常將ConcreteFlyWeight對象作為子節點 image_5c087c0b_4a4f 與單純享元模式相比，僅僅是擁有了不可共用的具體子類 而且，這個子類往往是應用了組合模式，將ConcreteFlyWeight對象作為子節點 複合享元角色UnsharedConcreteFlyWeight
複合享元角色，也就是不可共用的，也被稱為 不可共用的享元對象
但是一個複合享元對象可以分解為多個本身是單純享元對象的組合
這些單純的享元對象就又是可以共用的   複合享元代碼 將簡單模式中的示例代碼進行改造 FlyWeight不變 
package flyweight.composite;
public abstract class FlyWeight {
/**
* 抽象的業務邏輯方法,接受外部狀態作為參數
*/
abstract public void operation(String outerState);
}
ConcreteFlyWeight不變 
package flyweight.composite;
public class ConcreteFlyWeight extends FlyWeight {
private String innerState = null;
public ConcreteFlyWeight(String innerState) {
this.innerState = innerState;
}
/**
* 外部狀態作為參數傳遞
*/
@Override
public void operation(String outerState) {
System.out.println("innerState = " + innerState + " outerState = " + outerState);
}
}
新增加不共用的子類也就是組合的享元子類 內部使用list 維護單純享元模式對象，提供add方法進行添加 提供operation操作 
package flyweight.composite;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class UnsharedConcreateFlyWeight extends FlyWeight {
private String innerState = null;
public UnsharedConcreateFlyWeight(String innerState) {
this.innerState = innerState;
}

private List<FlyWeight> list = new ArrayList<>();
public void add(FlyWeight flyWeight) {
list.add(flyWeight);
}
@Override
public void operation(String outerState) {
for (FlyWeight flyWeight:list) {
flyWeight.operation(outerState);
    }
}
}
FlyWeightFactory工廠類進行改造 新增加public UnsharedConcreateFlyWeight getCompositeFylWeight(String state)  用於獲得組合享元對象 
package flyweight.composite;
 
import java.util.HashMap;
 
public class FlyWeightFactory {
    /**
    * 單例模式 餓漢式創建
    */
    private static FlyWeightFactory instance = new FlyWeightFactory();
     
    /**
    * 使用HashMap管理享元池
    */
    private HashMap<String, Object> hm = new HashMap<>();
     
    /**
    * 管理複合享元對象
    */
    private HashMap<String, Object> compositeHm = new HashMap<>();
     
    private FlyWeightFactory() {
    }
     
    /**
    * 單例全局訪問介面獲取工廠
    */
    public static FlyWeightFactory getInstance() {
        return instance;
    }
     
    /**
    * 根據innerState獲取池中的對象
    * 存在返回，不存在創建並返回
    */
    public FlyWeight getFylWeight(String innerState) {
        if(hm.containsKey(innerState)){
            return (FlyWeight) hm.get(innerState);
        }else{
            FlyWeight flyWeight = new ConcreteFlyWeight(innerState);
            hm.put(innerState,flyWeight);
            return flyWeight;
        }
    }
     
    /**
    * 根據innerState獲取池中的對象
    * 存在返回，不存在創建並返回
    */
    public UnsharedConcreateFlyWeight getCompositeFylWeight(String state) {
        if(compositeHm.containsKey(state)){
            return (UnsharedConcreateFlyWeight) compositeHm.get(state);
        }else{
            UnsharedConcreateFlyWeight flyWeight = new UnsharedConcreateFlyWeight(state);
            compositeHm.put(state,flyWeight);
            return flyWeight;
        }
    }
 
}
測試類也進行改造 
package flyweight.composite;
public class Test {
public static void main(String[] args){
    FlyWeightFactory flyWeightFactory = FlyWeightFactory.getInstance();
    FlyWeight flyWeight1 = flyWeightFactory.getFylWeight("First");
    FlyWeight flyWeight2 = flyWeightFactory.getFylWeight("Second");
    FlyWeight flyWeight3 = flyWeightFactory.getFylWeight("First");
     
    System.out.println(flyWeight1);
    System.out.println(flyWeight2);
    System.out.println(flyWeight3);
     
    System.out.println("###########################################");
     
    flyWeight1.operation("outer state XXX");
    flyWeight2.operation("outer state YYY");
    flyWeight3.operation("outer state ZZZ");
    System.out.println("###########################################");
    UnsharedConcreateFlyWeight compositeFlyWeight = flyWeightFactory.getCompositeFylWeight("composite");
    compositeFlyWeight.add(flyWeight1);
    compositeFlyWeight.add(flyWeight2);
    compositeFlyWeight.operation("composite out state OOO");
    }
}
image_5c087c0b_5108   測試程式在原來的基礎上，新獲得了一個組合享元對象 然後將兩個單純享元對象添加到組合享元對象中 然後調用operation，通過列印信息可以看得出來 不同的單純享元對象，他們卻有了一致的外部狀態 image_5c087c0b_4c7c   所以使用複合享元模式的一個常用目的就是： 多個內部狀態不同的單純享元對象，擁有一致的外部狀態 這種場景下，就可以考慮使用複合享元模式

使用場景

如果有下列情況，則可以考慮使用享元模式
  • 應用程式中使用了大量的對象
  • 大量的對象明顯增加了程式的存儲運行開銷
  • 對象可以提取出內部狀態，並且可以分離外部狀態
使用享元模式有一點需要特別註意：應用程式運行不依賴這些對象的身份 換句話說這些對象是不做區分的，適用於“在客戶端眼裡，他們都是一樣的”這種場景 比如單純的使用對象的方法，而不在意對象是否是創建而來的，否則如果客戶端鑒別對象的身份（equals），當他們是同一個對象時將會出現問題  

總結

享元模式的核心就是共用 共用就需要找準內部狀態，以及分離外部狀態，外部狀態由客戶端維護，在必要時候，通過參數的形式註入到享元對象中 在有大量重覆或者相似對象的場景下，都可以考慮到享元模式   而且為了達到共用的目的，需要通過工廠對象進行控制 只有通過工廠來維護享元池才能達到共用的目的，如果任意創建使用則勢必不能很好地共用   享元模式大大的減少了對象的創建，降低了系統所需要的記憶體空間 但是由於將狀態分為內部狀態和外部狀態，而外部狀態是分離的，那麼狀態的讀取必然會增大開銷 所以說享元模式是時間換空間   如果確定需要使用享元模式，如果對於多個內部狀態不同的享元對象，希望他們擁有一致性的外部狀態 那麼就可以考慮複合享元模式，複合享元模式是與合成模式的結合。   原文地址:享元模式 FlyWeight 結構型 設計模式（十五）
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