簡說設計模式——享元模式_ZenDei技術網路在線

一、什麼是享元模式說到享元模式，第一個想到的應該就是池技術了，String常量池、資料庫連接池、緩衝池等等都是享元模式的應用，所以說享元模式是池技術的重要實現方式。比如我們每次創建字元串對象時，都需要創建一個新的字元串對象的話，記憶體開銷會很大，所以如果第一次創建了字元串對象“adam“，下次再創 ...

一、什麼是享元模式

　　說到享元模式，第一個想到的應該就是池技術了，String常量池、資料庫連接池、緩衝池等等都是享元模式的應用，所以說享元模式是池技術的重要實現方式。

　　比如我們每次創建字元串對象時，都需要創建一個新的字元串對象的話，記憶體開銷會很大，所以如果第一次創建了字元串對象“adam“，下次再創建相同的字元串”adam“時，只是把它的引用指向”adam“，這樣就實現了”adam“字元串再記憶體中的共用。

　　舉個最簡單的例子，網路聯機下棋的時候，一臺伺服器連接了多個客戶端（玩家），如果我們每個棋子都要創建對象，那一盤棋可能就有上百個對象產生，玩家多點的話，因為記憶體空間有限，一臺伺服器就難以支持了，所以這裡要使用享元模式，將棋子對象減少到幾個實例。下麵給出享元模式的定義。

　　享元模式（Flyweight），運用共用技術有效地支持大量細粒度的對象。UML結構圖如下：

　　其中，Flyweight是抽象享元角色。它是產品的抽象類，同時定義出對象的外部狀態和內部狀態（外部狀態及內部狀態相關內容見後方）的介面或實現；ConcreteFlyweight是具體享元角色，是具體的產品類，實現抽象角色定義的業務；UnsharedConcreteFlyweight是不可共用的享元角色，一般不會出現在享元工廠中；FlyweightFactory是享元工廠，它用於構造一個池容器，同時提供從池中獲得對象的方法。

　　1. Flyweight抽象類

　　所有具體享元類的超類或介面，通過這個介面，Flyweight可以接受並作用於外部狀態。

 1 public abstract class Flyweight {
 2 
 3     //內部狀態
 4     public String intrinsic;
 5     //外部狀態
 6     protected final String extrinsic;
 7     
 8     //要求享元角色必須接受外部狀態
 9     public Flyweight(String extrinsic) {
10         this.extrinsic = extrinsic;
11     }
12     
13     //定義業務操作
14     public abstract void operate(int extrinsic);
15 
16     public String getIntrinsic() {
17         return intrinsic;
18     }
19 
20     public void setIntrinsic(String intrinsic) {
21         this.intrinsic = intrinsic;
22     }
23 
24 }

　　2. ConcreteFlyweight類

　　繼承Flyweight超類或實現Flyweight介面，併為其內部狀態增加存儲空間。

 1 public class ConcreteFlyweight extends Flyweight {
 2 
 3     //接受外部狀態
 4     public ConcreteFlyweight(String extrinsic) {
 5         super(extrinsic);
 6     }
 7 
 8     //根據外部狀態進行邏輯處理
 9     @Override
10     public void operate(int extrinsic) {
11         System.out.println("具體Flyweight:" + extrinsic);
12     }
13 
14 }

　　3. UnsharedConcreteFlyweight類

　　指那些不需要共用的Flyweight子類。

 1 public class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight {
 2 
 3     public UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsic) {
 4         super(extrinsic);
 5     }
 6 
 7     @Override
 8     public void operate(int extrinsic) {
 9         System.out.println("不共用的具體Flyweight:" + extrinsic);
10     }
11 
12 }

　　4. FlyweightFactory類

　　一個享元工廠，用來創建並管理Flyweight對象，主要是用來確保合理地共用Flyweight，當用戶請求一個Flyweight時，FlyweightFactory對象提供一個已創建的實例或創建一個實例。

 1 public class FlyweightFactory {
 2 
 3     //定義一個池容器
 4     private static HashMap<String, Flyweight> pool = new HashMap<>();
 5     
 6     //享元工廠
 7     public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
 8         Flyweight flyweight = null;
 9         
10         if(pool.containsKey(extrinsic)) {    //池中有該對象
11             flyweight = pool.get(extrinsic);
12             System.out.print("已有 " + extrinsic + " 直接從池中取---->");
13         } else {
14             //根據外部狀態創建享元對象
15             flyweight = new ConcreteFlyweight(extrinsic);
16             //放入池中
17             pool.put(extrinsic, flyweight);
18             System.out.print("創建 " + extrinsic + " 並從池中取出---->");
19         }
20         
21         return flyweight;
22     }
23 }

　　5. Client客戶端

 1 public class Client {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         int extrinsic = 22;
 5         
 6         Flyweight flyweightX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");
 7         flyweightX.operate(++ extrinsic);
 8         
 9         Flyweight flyweightY = FlyweightFactory.getFlyweight("Y");
10         flyweightY.operate(++ extrinsic);
11         
12         Flyweight flyweightZ = FlyweightFactory.getFlyweight("Z");
13         flyweightZ.operate(++ extrinsic);
14         
15         Flyweight flyweightReX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");
16         flyweightReX.operate(++ extrinsic);
17         
18         Flyweight unsharedFlyweight = new UnsharedConcreteFlyweight("X");
19         unsharedFlyweight.operate(++ extrinsic);
20     }
21     
22 }

　　運行結果如下：

　　從這個結果我們可以看出來，第一次創建X、Y、Z時，都是先創建再從池中取出，而第二次創建X時，因為池中已經存在了，所以直接從池中取出，這就是享元模式。

二、內部狀態和外部狀態

　　上面享元模式的定義為我們提出了兩個要求：細粒度和共用對象。我們知道分配太多的對象到應用程式中將有損程式的性能，同時還容易造成記憶體溢出，要避免這種情況，用到的就是共用技術，這裡就需要提到內部狀態和外部狀態了。

　　因為要求細粒度對象，所以不可避免地會使對象數量多且性質相近，此時我們就將這些對象的信息分為兩個部分：內部狀態和外部狀態。

　　內部狀態指對象共用出來的信息，存儲在享元對象內部並且不會隨環境的改變而改變；外部狀態指對象得以依賴的一個標記，是隨環境改變而改變的、不可共用的狀態。

　　我們舉一個最簡單的例子，棋牌類游戲大家都有玩過吧，比如說說圍棋和跳棋，它們都有大量的棋子對象，圍棋和五子棋只有黑白兩色，跳棋顏色略多一點，但也是不太變化的，所以棋子顏色就是棋子的內部狀態；而各個棋子之間的差別就是位置的不同，我們落子嘛，落子顏色是定的，但位置是變化的，所以方位坐標就是棋子的外部狀態。

　　那麼為什麼這裡要用享元模式呢？可以想象一下，上面提到的棋類游戲的例子，比如圍棋，理論上有361個空位可以放棋子，常規情況下每盤棋都有可能有兩三百個棋子對象產生，因為記憶體空間有限，一臺伺服器很難支持更多的玩家玩圍棋游戲，如果用享元模式來處理棋子，那麼棋子對象就可以減少到只有兩個實例，這樣就很好的解決了對象的開銷問題。

三、享元模式的應用

　　1. 何時使用

系統中有大量對象時
這些對象消耗大量記憶體時
這些對象的狀態大部分可以外部化時

　　2. 方法

用唯一標識碼判斷，如果在記憶體中有，則返回這個唯一標識碼所標識的對象，用HashMap/HashTable存儲

　　3. 優點

大大減少了對象的創建，降低了程式記憶體的占用，提高效率

　　4. 缺點

提高了系統的複雜度。需要分離出內部狀態和外部狀態，而外部狀態具有固化特性，不應該隨著內部狀態的改變而改變

　　5. 使用場景

系統中存在大量相似對象
需要緩衝池的場景

　　6. 應用實例

String常量池
資料庫連接池

　　7. 註意事項

註意劃分內部狀態和外部狀態，否則可能會引起線程安全問題
這些類必須有一個工廠類加以控制

四、享元模式的實現

　　應用實例的話，其實上面的模板就已經是一個很好的例子了，類似於String常量池，沒有的對象創建後存在池中，若池中存在該對象則直接從池中取出。

　　為了更好的理解享元模式，這裡再舉一個實例，比如接了我一個小型的外包項目，是做一個產品展示網站，後來他的朋友們也希望做這樣的網站，但要求都有些不同，我們當然不能直接複製粘貼再來一份，有任希望是新聞發佈形式的，有人希望是博客形式的等等，而且因為經費原因不能每個網站租用一個空間。

　　其實這裡他們需要的網站結構相似度很高，而且都不是高訪問量網站，如果分成多個虛擬空間來處理，相當於一個相同網站的實例對象很多，這是造成伺服器的大量資源浪費。如果整合到一個網站中，共用其相關的代碼和數據，那麼對於硬碟、記憶體、CPU、資料庫空間等伺服器資源都可以達成共用，減少伺服器資源；而對於代碼，由於是一份實例，維護和擴展都更加容易。

　　那麼此時就可以用到享元模式了。UML圖如下：

　　1. 網站抽象類

1 public abstract class WebSite {
2 
3     public abstract void use();
4     
5 }

　　2. 具體網站類

 1 public class ConcreteWebSite extends WebSite {
 2 
 3     private String name = "";
 4     
 5     public ConcreteWebSite(String name) {
 6         this.name = name;
 7     }
 8     
 9     @Override
10     public void use() {
11         System.out.println("網站分類：" + name);
12     }
13     
14 }

　　3. 網路工廠類

　　這裡使用HashMap來作為池，通過put和get方法實現加入池與從池中取的操作。

 1 public class WebSiteFactory {
 2 
 3     private HashMap<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();
 4     
 5     //獲得網站分類
 6     public WebSite getWebSiteCategory(String key) {
 7         if(!pool.containsKey(key)) {
 8             pool.put(key, new ConcreteWebSite(key));
 9         }
10         
11         return (WebSite)pool.get(key);
12     }
13     
14     //獲得網站分類總數
15     public int getWebSiteCount() {
16         return pool.size();
17     }
18     
19 }

　　4. Client客戶端

　　這裡測試用例給了兩種網站，原先我們需要做三個產品展示和三個博客的網站，也即需要六個網站類的實例，但其實它們本質上都是一樣的代碼，可以利用用戶ID號的不同，來區分不同的用戶，具體數據和模板可以不同，但代碼核心和資料庫卻是共用的。

 1 public class Client {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();
 5         
 6         WebSite fx = factory.getWebSiteCategory("產品展示");
 7         fx.use();
 8         
 9         WebSite fy = factory.getWebSiteCategory("產品展示");
10         fy.use();
11         
12         WebSite fz = factory.getWebSiteCategory("產品展示");
13         fz.use();
14         
15         WebSite fa = factory.getWebSiteCategory("博客");
16         fa.use();
17         
18         WebSite fb = factory.getWebSiteCategory("博客");
19         fb.use();
20         
21         WebSite fc = factory.getWebSiteCategory("博客");
22         fc.use();
23         
24         System.out.println("網站分類總數為：" + factory.getWebSiteCount());
25     }
26     
27 }

　　運行結果如下：

　　可以看出，雖然我們做了6個網站，但網站分類只有2個。這樣基本算是實現了享元模式的共用對象的目的，但想想上面提到的內部狀態和外部狀態，這裡實際上沒有體現對象間的不同，只體現了它們的共用部分。

　　5. 用戶類

　　所以我們再加一個用戶類，作為網站類的外部狀態，併在use()方法中傳遞用戶對象，UML如下：

　　下麵添加一個User類。

 1 public class User {
 2 
 3     private String name;
 4 
 5     public User(String name) {
 6         this.name = name;
 7     }
 8     
 9     public String getName() {
10         return name;
11     }
12     
13 }