外观模式、组合模式、享元模式
外观模式、组合模式、享元模式
门面模式(外观模式)【不常用】
- 门面模式原理和实现都特别简单，应用场景也比较明确，主要在接口设计方面使用。
- 如果你平时的工作涉及接口开发，不知道你有没有遇到关于接口粒度的问题呢？
- 为了保证接口的可复用性（或者叫通用性），我们需要将接口尽量设计得细粒度一点，职责单一一点。但是，如果接口的粒度过小，在接口的使用者开发一个业务功能时，就会导致需要调用 n 多细粒度的接口才能完成。调用者肯定会抱怨接口不好用。
- 相反，如果接口粒度设计得太大，一个接口返回 n 多数据，要做 n 多事情，就会导致接口不够通用、可复用性不好。接口不可复用，那针对不同的调用者的业务需求，我们就需要开发不同的接口来满足，这就会导致系统的接口无限膨胀。
- 那如何来解决接口的可复用性（通用性）和易用性之间的矛盾呢？通过今天对于门面模式的学习，我想你心中会有答案。
门面模式的原理与实现
- 门面模式，也叫外观模式，英文全称是 Facade Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中，门面模式是这样定义的：
Provide a unified interface to a set of interfaces in a subsystem. Facade Pattern defines a higher-level interface that makes the subsystem easier to use.
- 翻译成中文就是：门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用。这个定义很简洁，我再进一步解释一下。
- 假设有一个系统 A，提供了 a、b、c、d 四个接口。系统 B 完成某个业务功能，需要调用 A 系统的 a、b、d 接口。利用门面模式，我们提供一个包裹 a、b、d 接口调用的门面接口 x，给系统 B 直接使用。
- 不知道你会不会有这样的疑问，让系统 B 直接调用 a、b、d 感觉没有太大问题呀，为什么还要提供一个包裹 a、b、d 的接口 x 呢？关于这个问题，我通过一个具体的例子来解释一下。
- 假设我们刚刚提到的系统 A 是一个后端服务器，系统 B 是 App 客户端。App 客户端通过后端服务器提供的接口来获取数据。我们知道，App 和服务器之间是通过移动网络通信的，网络通信耗时比较多，为了提高 App 的响应速度，我们要尽量减少 App 与服务器之间的网络通信次数。
- 假设，完成某个业务功能（比如显示某个页面信息）需要“依次”调用 a、b、d 三个接口，因自身业务的特点，不支持并发调用这三个接口。
- 如果我们现在发现 App 客户端的响应速度比较慢，排查之后发现，是因为过多的接口调用过多的网络通信。针对这种情况，我们就可以利用门面模式，让后端服务器提供一个包裹 a、b、d 三个接口调用的接口 x。App 客户端调用一次接口 x，来获取到所有想要的数据，将网络通信的次数从 3 次减少到 1 次，也就提高了 App 的响应速度。
- 这里举的例子只是应用门面模式的其中一个意图，也就是解决性能问题。实际上，不同的应用场景下，使用门面模式的意图也不同。接下来，我们就来看一下门面模式的各种应用场景。
Demo案例-影院管理
- 组建一个家庭影院：
- DVD 播放器、投影仪、自动屏幕、环绕立体声、爆米花机,要求完成使用家庭影院的功能，其过程为：
- 直接用遥控器：统筹各设备开关
- 开爆米花机
- 放下屏幕
- 开投影仪
- 开音响
- 开 DVD，选 dvd
- 去拿爆米花
- 调暗灯光
- 播放
- 观影结束后，关闭各种设备
传统方案
- 在 ClientTest 的 main 方法中，创建各个子系统的对象，并直接去调用子系统(对象)相关方法，会造成调用过程 混乱，没有清晰的过程 不利于在 ClientTest 中，去维护对子系统的操作
- 解决思路：定义一个高层接口，给子系统中的一组接口提供一个一致的界面(比如在高层接口提供四个方法 ready, play, pause, end )，用来访问子系统中的一群接口
- 也就是说 就是通过定义一个一致的接口(界面类)，用以屏蔽内部子系统的细节，使得调用端只需跟这个接口发 生调用，而无需关心这个子系统的内部细节 => 外观模式
- 外观类(Facade): 为调用端提供统一的调用接口, 外观类知道哪些子系统负责处理请求,从而将调用端的请求代 理给适当子系统对象
- 调用者(Client): 外观接口的调用者
- 子系统的集合：指模块或者子系统，处理 Facade 对象指派的任务，他是功能的实际提供者
门面模式代码
TheaterLight
public class TheaterLight {
private static TheaterLight instance = new TheaterLight();
public static TheaterLight getInstance() {
return instance;
}
public void on() {
System.out.println(" TheaterLight on ");
}
public void off() {
System.out.println(" TheaterLight off ");
}
public void dim() {
System.out.println(" TheaterLight dim.. ");
}
public void bright() {
System.out.println(" TheaterLight bright.. ");
}
}
Stereo
public class Stereo {
private static Stereo instance = new Stereo();
public static Stereo getInstance() {
return instance;
}
public void on() {
System.out.println(" Stereo on ");
}
public void off() {
System.out.println(" Screen off ");
}
public void up() {
System.out.println(" Screen up.. ");
}
//...
}
Screen
public class Screen {
private static Screen instance = new Screen();
public static Screen getInstance() {
return instance;
}
public void up() {
System.out.println(" Screen up ");
}
public void down() {
System.out.println(" Screen down ");
}
}
Projector
public class Projector {
private static Projector instance = new Projector();
public static Projector getInstance() {
return instance;
}
public void on() {
System.out.println(" Projector on ");
}
public void off() {
System.out.println(" Projector ff ");
}
public void focus() {
System.out.println(" Projector is Projector ");
}
//...
}
Popcorn
public class Popcorn {
private static Popcorn instance = new Popcorn();
public static Popcorn getInstance() {
return instance;
}
public void on() {
System.out.println(" popcorn on ");
}
public void off() {
System.out.println(" popcorn ff ");
}
public void pop() {
System.out.println(" popcorn is poping ");
}
}
DVDPlayer
public class DVDPlayer {
//使用单例模式, 使用饿汉式
private static DVDPlayer instance = new DVDPlayer();
public static DVDPlayer getInstanc() {
return instance;
}
public void on() {
System.out.println(" dvd on ");
}
public void off() {
System.out.println(" dvd off ");
}
public void play() {
System.out.println(" dvd is playing ");
}
//....
public void pause() {
System.out.println(" dvd pause ..");
}
}
HomeTheaterFacade
public class HomeTheaterFacade {
// 定义各个子系统对象
private TheaterLight theaterLight;
private Popcorn popcorn;
private Stereo stereo;
private Projector projector;
private Screen screen;
private DVDPlayer dVDPlayer;
// 构造器
public HomeTheaterFacade() {
super();
this.theaterLight = TheaterLight.getInstance();
this.popcorn = Popcorn.getInstance();
this.stereo = Stereo.getInstance();
this.projector = Projector.getInstance();
this.screen = Screen.getInstance();
this.dVDPlayer = DVDPlayer.getInstanc();
}
// 操作分成 4 步
public void ready() {
popcorn.on();
popcorn.pop();
screen.down();
projector.on();
stereo.on();
dVDPlayer.on();
theaterLight.dim();
}
public void play() {
dVDPlayer.play();
}
public void pause() {
dVDPlayer.pause();
}
public void end() {
popcorn.off();
theaterLight.bright();
screen.up();
projector.off();
stereo.off();
dVDPlayer.off();
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
// 这里直接调用。。 很麻烦
HomeTheaterFacade homeTheaterFacade = new HomeTheaterFacade();
homeTheaterFacade.ready();
homeTheaterFacade.play();
homeTheaterFacade.end();
}
}
门面模式的应用场景举例
- 在 GoF 给出的定义中提到，“门面模式让子系统更加易用”，实际上，它除了解决易用性问题之外，还能解决其他很多方面的问题。关于这一点，我总结罗列了 3 个常用的应用场景，你可以参考一下，举一反三地借鉴到自己的项目中。
- 除此之外，我还要强调一下，门面模式定义中的“子系统（subsystem）”也可以有多种理解方式。它既可以是一个完整的系统，也可以是更细粒度的类或者模块。关于这一点，在下面的讲解中也会有体现。
解决易用性问题
- 门面模式可以用来封装系统的底层实现，隐藏系统的复杂性，提供一组更加简单易用、更高层的接口。比如，Linux 系统调用函数就可以看作一种“门面”。它是 Linux 操作系统暴露给开发者的一组“特殊”的编程接口，它封装了底层更基础的 Linux 内核调用。再比如，Linux 的 Shell 命令，实际上也可以看作一种门面模式的应用。它继续封装系统调用，提供更加友好、简单的命令，让我们可以直接通过执行命令来跟操作系统交互。
- 我们前面也多次讲过，设计原则、思想、模式很多都是相通的，是同一个道理不同角度的表述。实际上，从隐藏实现复杂性，提供更易用接口这个意图来看，门面模式有点类似之前讲到的迪米特法则（最少知识原则）和接口隔离原则：两个有交互的系统，只暴露有限的必要的接口。除此之外，门面模式还有点类似之前提到封装、抽象的设计思想，提供更抽象的接口，封装底层实现细节。
解决性能问题
- 关于利用门面模式解决性能问题这一点，刚刚我们已经讲过了。我们通过将多个接口调用替换为一个门面接口调用，减少网络通信成本，提高 App 客户端的响应速度。所以，关于这点，我就不再举例说明了。我们来讨论一下这样一个问题：从代码实现的角度来看，该如何组织门面接口和非门面接口？
- 如果门面接口不多，我们完全可以将它跟非门面接口放到一块，也不需要特殊标记，当作普通接口来用即可。如果门面接口很多，我们可以在已有的接口之上，再重新抽象出一层，专门放置门面接口，从类、包的命名上跟原来的接口层做区分。如果门面接口特别多，并且很多都是跨多个子系统的，我们可以将门面接口放到一个新的子系统中。
解决分布式事务问题
- 关于利用门面模式来解决分布式事务问题，我们通过一个例子来解释一下。
- 在一个金融系统中，有两个业务领域模型，用户和钱包。这两个业务领域模型都对外暴露了一系列接口，比如用户的增删改查接口、钱包的增删改查接口。假设有这样一个业务场景：在用户注册的时候，我们不仅会创建用户（在数据库 User 表中），还会给用户创建一个钱包（在数据库的 Wallet 表中）。
- 对于这样一个简单的业务需求，我们可以通过依次调用用户的创建接口和钱包的创建接口来完成。但是，用户注册需要支持事务，也就是说，创建用户和钱包的两个操作，要么都成功，要么都失败，不能一个成功、一个失败。
- 要支持两个接口调用在一个事务中执行，是比较难实现的，这涉及分布式事务问题。虽然我们可以通过引入分布式事务框架或者事后补偿的机制来解决，但代码实现都比较复杂。而最简单的解决方案是，利用数据库事务或者 Spring 框架提供的事务（如果是 Java 语言的话），在一个事务中，执行创建用户和创建钱包这两个 SQL 操作。这就要求两个 SQL 操作要在一个接口中完成，所以，我们可以借鉴门面模式的思想，再设计一个包裹这两个操作的新接口，让新接口在一个事务中执行两个 SQL 操作。
组合模式【不常用】
- 组合模式跟我们之前讲的面向对象设计中的“组合关系（通过组合来组装两个类）”，完全是两码事。这里讲的“组合模式”，主要是用来处理树形结构数据。这里的“数据”，你可以简单理解为一组对象集合，待会我们会详细讲解。
- 正因为其应用场景的特殊性，数据必须能表示成树形结构，这也导致了这种模式在实际的项目开发中并不那么常用。但是，一旦数据满足树形结构，应用这种模式就能发挥很大的作用，能让代码变得非常简洁。
组合模式的原理与实现
- 在 GoF 的《设计模式》一书中，组合模式是这样定义的：
Compose objects into tree structure to represent part-whole hierarchies.Composite lets client treat individual objects and compositions of objects uniformly.
- 翻译成中文就是：将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端（在很多设计模式书籍中，“客户端”代指代码的使用者。）可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。接下来，对于组合模式，我举个例子来给你解释一下。
- 假设我们有这样一个需求：设计一个类来表示文件系统中的目录，能方便地实现下面这些功能：
- 动态地添加、删除某个目录下的子目录或文件；
- 统计指定目录下的文件个数；
- 统计指定目录下的文件总大小。
- 我这里给出了这个类的骨架代码，如下所示。其中的核心逻辑并未实现，你可以试着自己去补充完整，再来看我的讲解。在下面的代码实现中，我们把文件和目录统一用 FileSystemNode 类来表示，并且通过 isFile 属性来区分。
public class FileSystemNode {
private String path;
private boolean isFile;
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
public FileSystemNode(String path, boolean isFile) {
this.path = path;
this.isFile = isFile;
}
public int countNumOfFiles() {
// TODO:...
}
public long countSizeOfFiles() {
// TODO:...
}
public String getPath() {
return path;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
int i = 0;
for (; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
break;
}
}
if (i < size) {
subNodes.remove(i);
}
}
}
想要补全其中的 countNumOfFiles() 和 countSizeOfFiles() 这两个函数，并不是件难事，实际上这就是树上的递归遍历算法。对于文件，我们直接返回文件的个数（返回 1）或大小。对于目录，我们遍历目录中每个子目录或者文件，递归计算它们的个数或大小，然后求和，就是这个目录下的文件个数和文件大小。
public int countNumOfFiles() { if (isFile) { return 1; } int numOfFiles = 0; for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) { numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles(); } return numOfFiles;}public long countSizeOfFiles() { if (isFile) { File file = new File(path); if (!file.exists()) return 0; return file.length(); } long sizeofFiles = 0; for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) { sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles(); } return sizeofFiles;}
单纯从功能实现角度来说，上面的代码没有问题，已经实现了我们想要的功能。但是，如果我们开发的是一个大型系统，从扩展性（文件或目录可能会对应不同的操作）、业务建模（文件和目录从业务上是两个概念）、代码的可读性（文件和目录区分对待更加符合人们对业务的认知）的角度来说，我们最好对文件和目录进行区分设计，定义为 File 和 Directory 两个类。
按照这个设计思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
public abstract class FileSystemNode { protected String path; public FileSystemNode(String path) { this.path = path; } public abstract int countNumOfFiles(); public abstract long countSizeOfFiles(); public String getPath() { return path; }}public class File extends FileSystemNode { public File(String path) { super(path); } @Override public int countNumOfFiles() { return 1; } @Override public long countSizeOfFiles() { java.io.File file = new java.io.File(path); if (!file.exists()) return 0; return file.length(); }}public class Directory extends FileSystemNode { private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>(); public Directory(String path) { super(path); } @Override public int countNumOfFiles() { int numOfFiles = 0; for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) { numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles(); } return numOfFiles; } @Override public long countSizeOfFiles() { long sizeofFiles = 0; for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) { sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles(); } return sizeofFiles; } public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) { subNodes.add(fileOrDir); } public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) { int size = subNodes.size(); int i = 0; for (; i < size; ++i) { if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) { break; } } if (i < size) { subNodes.remove(i); } }}
文件和目录类都设计好了，我们来看，如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构。具体的代码示例如下所示：
public class Demo { public static void main(String[] args) { /** * / * * <p>/wz/ * * <p>/wz/a.txt * * <p>/wz/b.txt * * <p>/wz/movies/ * * <p>/wz/movies/c.avi * * <p>/xzg/ * * <p>/xzg/docs/ * * <p>/xzg/docs/d.txt */ Directory fileSystemTree = new Directory("/"); Directory node_wz = new Directory("/wz/"); Directory node_xzg = new Directory("/xzg/"); fileSystemTree.addSubNode(node_wz); fileSystemTree.addSubNode(node_xzg); File node_wz_a = new File("/wz/a.txt"); File node_wz_b = new File("/wz/b.txt"); Directory node_wz_movies = new Directory("/wz/movies/"); node_wz.addSubNode(node_wz_a); node_wz.addSubNode(node_wz_b); node_wz.addSubNode(node_wz_movies); File node_wz_movies_c = new File("/wz/movies/c.avi"); node_wz_movies.addSubNode(node_wz_movies_c); Directory node_xzg_docs = new Directory("/xzg/docs/"); node_xzg.addSubNode(node_xzg_docs); File node_xzg_docs_d = new File("/xzg/docs/d.txt"); node_xzg_docs.addSubNode(node_xzg_docs_d); System.out.println("/ files num:" + fileSystemTree.countNumOfFiles()); System.out.println("/wz/ files num:" + node_wz.countNumOfFiles()); }}
- 我们对照着这个例子，再重新看一下组合模式的定义：“将一组对象（文件和目录）组织成树形结构，以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构（目录与子目录的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（文件）和组合对象（目录）的处理逻辑（递归遍历）。”
- 实际上，刚才讲的这种组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
组合模式的应用场景举例
- 刚刚我们讲了文件系统的例子，对于组合模式，我这里再举一个例子。搞懂了这两个例子，你基本上就算掌握了组合模式。在实际的项目中，遇到类似的可以表示成树形结构的业务场景，你只要“照葫芦画瓢”去设计就可以了。
- 假设我们在开发一个 OA 系统（办公自动化系统）。公司的组织结构包含部门和员工两种数据类型。其中，部门又可以包含子部门和员工。在数据库中的表结构如下所示：
- 我们希望在内存中构建整个公司的人员架构图（部门、子部门、员工的隶属关系），并且提供接口计算出部门的薪资成本（隶属于这个部门的所有员工的薪资和）。
- 部门包含子部门和员工，这是一种嵌套结构，可以表示成树这种数据结构。计算每个部门的薪资开支这样一个需求，也可以通过在树上的遍历算法来实现。所以，从这个角度来看，这个应用场景可以使用组合模式来设计和实现。
- 这个例子的代码结构跟上一个例子的很相似，代码实现我直接贴在了下面，你可以对比着看一下。其中，HumanResource 是部门类（Department）和员工类（Employee）抽象出来的父类，为的是能统一薪资的处理逻辑。Demo 中的代码负责从数据库中读取数据并在内存中构建组织架构图。
public abstract class HumanResource { protected long id; protected double salary; public HumanResource(long id) { this.id = id; } public long getId() { return id; } public abstract double calculateSalary();}public class Employee extends HumanResource { public Employee(long id, double salary) { super(id); this.salary = salary; } @Override public double calculateSalary() { return salary; }}public class Department extends HumanResource { private List<HumanResource> subNodes = new ArrayList<>(); public Department(long id) { super(id); } @Override public double calculateSalary() { double totalSalary = 0; for (HumanResource hr : subNodes) { totalSalary += hr.calculateSalary(); } this.salary = totalSalary; return totalSalary; } public void addSubNode(HumanResource hr) { subNodes.add(hr); }}// 构建组织架构的代码public class Demo { private static final long ORGANIZATION\_ROOT\_ID = 1001; private DepartmentRepo departmentRepo; // 依赖注入 private EmployeeRepo employeeRepo; // 依赖注入 public void buildOrganization() { Department rootDepartment = new Department(ORGANIZATION\_ROOT\_ID); buildOrganization(rootDepartment); } private void buildOrganization(Department department) { List<Long> subDepartmentIds = departmentRepo.getSubDepartmentIds(department.getId()); for (Long subDepartmentId : subDepartmentIds) { Department subDepartment = new Department(subDepartmentId); department.addSubNode(subDepartment); buildOrganization(subDepartment); } List<Long> employeeIds = employeeRepo.getDepartmentEmployeeIds(department.getId()); for (Long employeeId : employeeIds) { double salary = employeeRepo.getEmployeeSalary(employeeId); department.addSubNode(new Employee(employeeId, salary)); } }}
我们再拿组合模式的定义跟这个例子对照一下：“将一组对象（员工和部门）组织成树形结构，以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构（部门与子部门的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（员工）和组合对象（部门）的处理逻辑（递归遍历）。”
享元模式【不常用】
跟其他所有的设计模式类似，享元模式的原理和实现也非常简单。今天，我会通过棋牌游戏和文本编辑器两个实际的例子来讲解。除此之外，我还会讲到它跟单例、缓存、对象池的区别和联系。在后面一下享元模式在 Java Integer、String 中的应用。
享元模式原理与实现
- 所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。
- 具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。
- 这里我稍微解释一下，定义中的“不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何 set() 等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。
- 接下来，我们通过一个简单的例子解释一下享元模式。
- 假设我们在开发一个棋牌游戏（比如象棋）。一个游戏厅中有成千上万个“房间”，每个房间对应一个棋局。棋局要保存每个棋子的数据，比如：棋子类型（将、相、士、炮等）、棋子颜色（红方、黑方）、棋子在棋局中的位置。利用这些数据，我们就能显示一个完整的棋盘给玩家。具体的代码如下所示。其中，ChessPiece 类表示棋子，ChessBoard 类表示一个棋局，里面保存了象棋中 30 个棋子的信息。
public class ChessPiece { // 棋子 private int id; private String text; private Color color; private int positionX; private int positionY; public ChessPiece(int id, String text, Color color, int positionX, int positionY) { this.id = id; this.text = text; this.color = color; this.positionX = positionX; this.positionY = positionX; } public static enum Color { RED, BLACK } // ...省略其他属性和getter/setter方法...}public class ChessBoard { // 棋局 private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>(); public ChessBoard() { init(); } private void init() { chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0)); chessPieces.put(2, new ChessPiece(2, "馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1)); // ...省略摆放其他棋子的代码... } public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) { // ...省略... }}
为了记录每个房间当前的棋局情况，我们需要给每个房间都创建一个 ChessBoard 棋局对象。因为游戏大厅中有成千上万的房间（实际上，百万人同时在线的游戏大厅也有很多），那保存这么多棋局对象就会消耗大量的内存。有没有什么办法来节省内存呢？
这个时候，享元模式就可以派上用场了。像刚刚的实现方式，在内存中会有大量的相似对象。这些相似对象的 id、text、color 都是相同的，唯独 positionX、positionY 不同。实际上，我们可以将棋子的 id、text、color 属性拆分出来，设计成独立的类，并且作为享元供多个棋盘复用。这样，棋盘只需要记录每个棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示：
// 享元类public class ChessPieceUnit { private int id; private String text; private Color color; public ChessPieceUnit(int id, String text, Color color) { this.id = id; this.text = text; this.color = color; } public static enum Color { RED, BLACK } // ...省略其他属性和getter方法...}public class ChessPieceUnitFactory { private static final Map<Integer, ChessPieceUnit> pieces = new HashMap<>(); static { pieces.put(1, new ChessPieceUnit(1, "車", ChessPieceUnit.Color.BLACK)); pieces.put(2, new ChessPieceUnit(2, "馬", ChessPieceUnit.Color.BLACK)); // ...省略摆放其他棋子的代码... } public static ChessPieceUnit getChessPiece(int chessPieceId) { return pieces.get(chessPieceId); }}public class ChessPiece { private ChessPieceUnit chessPieceUnit; private int positionX; private int positionY; public ChessPiece(ChessPieceUnit unit, int positionX, int positionY) { this.chessPieceUnit = unit; this.positionX = positionX; this.positionY = positionY; } // 省略getter、setter方法}public class ChessBoard { private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>(); public ChessBoard() { init(); } private void init() { chessPieces.put(1, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(1), 0, 0)); chessPieces.put(1, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(2), 1, 0)); // ...省略摆放其他棋子的代码... } public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) { // ...省略... }}
- 在上面的代码实现中，我们利用工厂类来缓存 ChessPieceUnit 信息（也就是 id、text、color）。通过工厂类获取到的 ChessPieceUnit 就是享元。所有的 ChessBoard 对象共享这 30 个 ChessPieceUnit 对象（因为象棋中只有 30 个棋子）。在使用享元模式之前，记录 1 万个棋局，我们要创建 30 万（30*1 万）个棋子的 ChessPieceUnit 对象。利用享元模式，我们只需要创建 30 个享元对象供所有棋局共享使用即可，大大节省了内存。
- 那享元模式的原理讲完了，我们来总结一下它的代码结构。实际上，它的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 来缓存已经创建过的享元对象，来达到复用的目的。
享元模式在文本编辑器中的应用
- 弄懂了享元模式的原理和实现之后，我们再来看另外一个例子，也就是文章标题中给出的：如何利用享元模式来优化文本编辑器的内存占用？
- 你可以把这里提到的文本编辑器想象成 Office 的 Word。不过，为了简化需求背景，我们假设这个文本编辑器只实现了文字编辑功能，不包含图片、表格等复杂的编辑功能。对于简化之后的文本编辑器，我们要在内存中表示一个文本文件，只需要记录文字和格式两部分信息就可以了，其中，格式又包括文字的字体、大小、颜色等信息。
- 尽管在实际的文档编写中，我们一般都是按照文本类型（标题、正文……）来设置文字的格式，标题是一种格式，正文是另一种格式等等。但是，从理论上讲，我们可以给文本文件中的每个文字都设置不同的格式。为了实现如此灵活的格式设置，并且代码实现又不过于太复杂，我们把每个文字都当作一个独立的对象来看待，并且在其中包含它的格式信息。具体的代码示例如下所示：
public class Character { // 文字 private char c; private Font font; private int size; private int colorRGB; public Character(char c, Font font, int size, int colorRGB) { this.c = c; this.font = font; this.size = size; this.colorRGB = colorRGB; }}public class Editor { private List<Character> chars = new ArrayList<>(); public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) { Character character = new Character(c, font, size, colorRGB); chars.add(character); }}
- 在文本编辑器中，我们每敲一个文字，都会调用 Editor 类中的 appendCharacter() 方法，创建一个新的 Character 对象，保存到 chars 数组中。如果一个文本文件中，有上万、十几万、几十万的文字，那我们就要在内存中存储这么多 Character 对象。那有没有办法可以节省一点内存呢？
- 实际上，在一个文本文件中，用到的字体格式不会太多，毕竟不大可能有人把每个文字都设置成不同的格式。所以，对于字体格式，我们可以将它设计成享元，让不同的文字共享使用。按照这个设计思路，我们对上面的代码进行重构。重构后的代码如下所示：
public class CharacterStyle { private Font font; private int size; private int colorRGB; public CharacterStyle(Font font, int size, int colorRGB) { this.font = font; this.size = size; this.colorRGB = colorRGB; } @Override public boolean equals(Object o) { CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) o; return font.equals(otherStyle.font) && size == otherStyle.size && colorRGB == otherStyle.colorRGB; }}public class CharacterStyleFactory { private static final List<CharacterStyle> styles = new ArrayList<>(); public static CharacterStyle getStyle(Font font, int size, int colorRGB) { CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font, size, colorRGB); for (CharacterStyle style : styles) { if (style.equals(newStyle)) { return style; } } styles.add(newStyle); return newStyle; }}public class Character { private char c; private CharacterStyle style; public Character(char c, CharacterStyle style) { this.c = c; this.style = style; }}public class Editor { private List<Character> chars = new ArrayList<>(); public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) { Character character = new Character(c, CharacterStyleFactory.getStyle(font, size, colorRGB)); chars.add(character); }}
享元模式 vs 单例、缓存、对象池
在上面的讲解中，我们多次提到“共享”“缓存”“复用”这些字眼，那它跟单例、缓存、对象池这些概念有什么区别呢？我们来简单对比一下。
我们先来看享元模式跟单例的区别
- 在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多处代码引用共享。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。
- 我们前面也多次提到，区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看，享元模式和多例有很多相似之处，但从设计意图上来看，它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例模式是为了限制对象的个数。
我们再来看享元模式跟缓存的区别
在享元模式的实现中，我们通过工厂类来“缓存”已经创建好的对象。这里的“缓存”实际上是“存储”的意思，跟我们平时所说的“数据库缓存”“CPU 缓存”“MemCache 缓存”是两回事。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。
最后我们来看享元模式跟对象池的区别
- 对象池、连接池（比如数据库连接池）、线程池等也是为了复用，那它们跟享元模式有什么区别呢？
- 你可能对连接池、线程池比较熟悉，对对象池比较陌生，所以，这里我简单解释一下对象池。像 C++ 这样的编程语言，内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地进行对象创建和释放导致内存碎片，我们可以预先申请一片连续的内存空间，也就是这里说的对象池。每次创建对象时，我们从对象池中直接取出一个空闲对象来使用，对象使用完成之后，再放回到对象池中以供后续复用，而非直接释放掉。
- 虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用，但是，如果我们再细致地抠一抠“复用”这个字眼的话，对象池、连接池、线程池等池化技术中的“复用”和享元模式中的“复用”实际上是不同的概念。
- 池化技术中的“复用”可以理解为“重复使用”，主要目的是节省时间（比如从数据库池中取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。享元模式中的“复用”可以理解为“共享使用”，在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。
剖析享元模式在Java Integer、String中的应用
我们先来看下面这样一段代码。你可以先思考下，这段代码会输出什么样的结果。
Integer i1 = 56;Integer i2 = 56;Integer i3 = 129;Integer i4 = 129;System.out.println(i1 == i2);System.out.println(i3 == i4);
- Java提供了自动拆箱与装箱机制，比如int的装箱就是Integer.valueOf(); 拆箱就是i.intValue();
- 前 4 行赋值语句都会触发自动装箱操作，也就是会创建 Integer 对象并且赋值给 i1、i2、i3、i4 这四个变量。根据刚刚的讲解，i1、i2 尽管存储的数值相同，都是 56，但是指向不同的 Integer 对象，所以通过“”来判定是否相同的时候，会返回 false。同理，i3i4 判定语句也会返回 false。
- 不过，上面的分析还是不对，答案并非是两个 false，而是一个 true，一个 false。看到这里，你可能会比较纳闷了。实际上，这正是因为 Integer 用到了享元模式来复用对象，才导致了这样的运行结果。当我们通过自动装箱，也就是调用 valueOf() 来创建 Integer 对象的时候，如果要创建的 Integer 对象的值在 -128 到 127 之间，会从 IntegerCache 类中直接返回，否则才调用 new 方法创建。看代码更加清晰一些，Integer 类的 valueOf() 函数的具体代码如下所示：
public static Integer valueOf(int i) { if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high) return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)]; return new Integer(i); }
实际上，这里的 IntegerCache 相当于，我们上面讲的生成享元对象的工厂类，只不过名字不叫 xxxFactory 而已。我们来看它的具体代码实现。这个类是 Integer 的内部类，你也可以自行查看 JDK 源码。
private static class IntegerCache { static final int low = -128; static final int high; static final Integer cache[]; static { // high value may be configured by property int h = 127; String integerCacheHighPropValue = VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high"); if (integerCacheHighPropValue != null) { try { int i = parseInt(integerCacheHighPropValue); i = Math.max(i, 127); // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1); } catch( NumberFormatException nfe) { // If the property cannot be parsed into an int, ignore it. } } high = h; cache = new Integer[(high - low) + 1]; int j = low; for(int k = 0; k < cache.length; k++) cache[k] = new Integer(j++); // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7) assert IntegerCache.high >= 127; } private IntegerCache() {} }
- 为什么 IntegerCache 只缓存 -128 到 127 之间的整型值呢？
- 在 IntegerCache 的代码实现中，当这个类被加载的时候，缓存的享元对象会被集中一次性创建好。毕竟整型值太多了，我们不可能在 IntegerCache 类中预先创建好所有的整型值，这样既占用太多内存，也使得加载 IntegerCache 类的时间过长。所以，我们只能选择缓存对于大部分应用来说最常用的整型值，也就是一个字节的大小（-128 到 127 之间的数据）。
- 实际上，JDK 也提供了方法来让我们可以自定义缓存的最大值，有下面两种方式。如果你通过分析应用的 JVM 内存占用情况，发现 -128 到 255 之间的数据占用的内存比较多，你就可以用如下方式，将缓存的最大值从 127 调整到 255。不过，这里注意一下，JDK 并没有提供设置最小值的方法。
//方法一：-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=255//方法二：-XX:AutoBoxCacheMax=255
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现在，让我们再回到最开始的问题，因为 56 处于 -128 和 127 之间，i1 和 i2 会指向相同的享元对象，所以 i1i2 返回 true。而 129 大于 127，并不会被缓存，每次都会创建一个全新的对象，也就是说，i3 和 i4 指向不同的 Integer 对象，所以 i3i4 返回 false。
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实际上，除了 Integer 类型之外，其他包装器类型，比如 Long、Short、Byte 等，也都利用了享元模式来缓存 -128 到 127 之间的数据。比如，Long 类型对应的 LongCache 享元工厂类及 valueOf() 函数代码如下所示：
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在我们平时的开发中，对于下面这样三种创建整型对象的方式，我们优先使用后两种。
Integer a = new Integer(123);Integer a = 123;Integer a = Integer.valueOf(123);
- 第一种创建方式并不会使用到 IntegerCache，而后面两种创建方法可以利用 IntegerCache 缓存，返回共享的对象，以达到节省内存的目的。举一个极端一点的例子，假设程序需要创建 1 万个 -128 到 127 之间的 Integer 对象。使用第一种创建方式，我们需要分配 1 万个 Integer 对象的内存空间；使用后两种创建方式，我们最多只需要分配 256 个 Integer 对象的内存空间。
享元模式在 Java String 中的应用
- 刚刚我们讲了享元模式在 Java Integer 类中的应用，现在，我们再来看下，享元模式在 Java String 类中的应用。同样，我们还是先来看一段代码，你觉得这段代码输出的结果是什么呢？
String s1 = "哈哈哈";String s2 = "哈哈哈";String s3 = new String("哈哈哈");System.out.println(s1 == s2);System.out.println(s1 == s3);
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上面代码的运行结果是：一个 true，一个 false。跟 Integer 类的设计思路相似，String 类利用享元模式来复用相同的字符串常量（也就是代码中的“小争哥”）。JVM 会专门开辟一块存储区来存储字符串常量，这块存储区叫作“字符串常量池”。上面代码对应的内存存储结构如下所示：【笔者的JVM系列有专门讲String的各种情况】
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不过，String 类的享元模式的设计，跟 Integer 类稍微有些不同。Integer 类中要共享的对象，是在类加载的时候，就集中一次性创建好的。但是，对于字符串来说，我们没法事先知道要共享哪些字符串常量，所以没办法事先创建好，只能在某个字符串常量第一次被用到的时候，存储到常量池中，当之后再用到的时候，直接引用常量池中已经存在的即可，就不需要再重新创建了。
