享元模式

享元模式

享元模式（Flyweight Pattern）主要用于减少创建对象的数量，以减少内存占用和提高性能。这种类型的设计模式属于结构型模式，它提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。

享元模式尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，则创建新对象。我们将通过创建 5 个对象来画出 20 个分布于不同位置的圆来演示这种模式。由于只有 5 种可用的颜色，所以 color 属性被用来检查现有的 Circle 对象。

概要

意图

通过共享对象来减少创建大量相似对象时的内存消耗。。

主要解决的问题

• 避免因创建大量对象而导致的内存溢出问题。
• 通过共享对象，提高内存使用效率。

使用场景

• 当系统中存在大量相似或相同的对象。
• 对象的创建和销毁成本较高。
• 对象的状态可以外部化，即对象的部分状态可以独立于对象本身存在。

实现方式

• 定义享元接口：创建一个享元接口，规定可以共享的状态。
• 创建具体享元类：实现该接口的具体类，包含内部状态。
• 使用享元工厂：创建一个工厂类，用于管理享元对象的创建和复用。

关键代码

• HashMap：使用哈希表存储已经创建的享元对象，以便快速检索。

应用实例

1. Java中的String对象：字符串常量池中已经存在的字符串会被复用。
2. 数据库连接池：数据库连接被复用，避免频繁创建和销毁连接。

优点

• 减少内存消耗：通过共享对象，减少了内存中对象的数量。
• 提高效率：减少了对象创建的时间，提高了系统效率。

缺点

• 增加系统复杂度：需要分离内部状态和外部状态，增加了设计和实现的复杂性。
• 线程安全问题：如果外部状态处理不当，可能会引起线程安全问题。

使用建议

• 在创建大量相似对象时考虑使用享元模式。
• 确保享元对象的内部状态是共享的，而外部状态是独立于对象的。

注意事项

• 状态分离：明确区分内部状态和外部状态，避免混淆。
• 享元工厂：使用享元工厂来控制对象的创建和复用，确保对象的一致性和完整性。

结构

享元模式包含以下几个核心角色：

• 享元工厂（Flyweight Factory）:
  • 负责创建和管理享元对象，通常包含一个池（缓存）用于存储和复用已经创建的享元对象。
• 具体享元（Concrete Flyweight）:
  • 实现了抽象享元接口，包含了内部状态和外部状态。内部状态是可以被共享的，而外部状态则由客户端传递。
• 抽象享元（Flyweight）:
  • 定义了具体享元和非共享享元的接口，通常包含了设置外部状态的方法。
• 客户端（Client）:
  • 使用享元工厂获取享元对象，并通过设置外部状态来操作享元对象。客户端通常不需要关心享元对象的具体实现。

实现

我们将创建一个 Shape 接口和实现了 Shape 接口的实体类 Circle。下一步是定义工厂类 ShapeFactory。

ShapeFactory 有一个 Circle 的 HashMap，其中键名为 Circle 对象的颜色。无论何时接收到请求，都会创建一个特定颜色的圆。ShapeFactory 检查它的 HashMap 中的 circle 对象，如果找到 Circle 对象，则返回该对象，否则将创建一个存储在 hashmap 中以备后续使用的新对象，并把该对象返回到客户端。

FlyWeightPatternDemo 类使用 ShapeFactory 来获取 Shape 对象。它将向 ShapeFactory 传递信息（red / green / blue/ black / white），以便获取它所需对象的颜色。

步骤 1

创建一个接口。

Shape.java

public interface Shape {
   void draw();
}

步骤 2

创建实现接口的实体类。

Circle.java

public class Circle implements Shape {
   private String color;
   private int x;
   private int y;
   private int radius;
 
   public Circle(String color){
      this.color = color;     
   }
 
   public void setX(int x) {
      this.x = x;
   }
 
   public void setY(int y) {
      this.y = y;
   }
 
   public void setRadius(int radius) {
      this.radius = radius;
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Circle: Draw() [Color : " + color 
         +", x : " + x +", y :" + y +", radius :" + radius);
   }
}

步骤 3

创建一个工厂，生成基于给定信息的实体类的对象。

ShapeFactory.java

import java.util.HashMap;
 
public class ShapeFactory {
   private static final HashMap<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();
 
   public static Shape getCircle(String color) {
      Circle circle = (Circle)circleMap.get(color);
 
      if(circle == null) {
         circle = new Circle(color);
         circleMap.put(color, circle);
         System.out.println("Creating circle of color : " + color);
      }
      return circle;
   }
}

步骤 4

使用该工厂，通过传递颜色信息来获取实体类的对象。

FlyweightPatternDemo.java

public class FlyweightPatternDemo {
   private static final String colors[] = 
      { "Red", "Green", "Blue", "White", "Black" };
   public static void main(String[] args) {
 
      for(int i=0; i < 20; ++i) {
         Circle circle = 
            (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
         circle.setX(getRandomX());
         circle.setY(getRandomY());
         circle.setRadius(100);
         circle.draw();
      }
   }
   private static String getRandomColor() {
      return colors[(int)(Math.random()*colors.length)];
   }
   private static int getRandomX() {
      return (int)(Math.random()*100 );
   }
   private static int getRandomY() {
      return (int)(Math.random()*100);
   }
}

步骤 5

执行程序，输出结果：

Creating circle of color : Black
Circle: Draw() [Color : Black, x : 36, y :71, radius :100
Creating circle of color : Green
Circle: Draw() [Color : Green, x : 27, y :27, radius :100
Creating circle of color : White
Circle: Draw() [Color : White, x : 64, y :10, radius :100
Creating circle of color : Red
Circle: Draw() [Color : Red, x : 15, y :44, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 19, y :10, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 94, y :32, radius :100
Circle: Draw() [Color : White, x : 69, y :98, radius :100
Creating circle of color : Blue
Circle: Draw() [Color : Blue, x : 13, y :4, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 21, y :21, radius :100
Circle: Draw() [Color : Blue, x : 55, y :86, radius :100
Circle: Draw() [Color : White, x : 90, y :70, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 78, y :3, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 64, y :89, radius :100
Circle: Draw() [Color : Blue, x : 3, y :91, radius :100
Circle: Draw() [Color : Blue, x : 62, y :82, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 97, y :61, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 86, y :12, radius :100
Circle: Draw() [Color : Green, x : 38, y :93, radius :100
Circle: Draw() [Color : Red, x : 76, y :82, radius :100
Circle: Draw() [Color : Blue, x : 95, y :82, radius :100