享元模式

享元模式

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、避免大量相似对象的开销，从而提高系统资源的利用率，例如Integer中拿-128~127的实例对象

通常提供一个接口或抽象类作为抽象享元角色，然后让具体享元角色实现它，具体享元角色内部提供一个空间存储内部状态，不能被共享的子类（外部状态）作为非享元角色，需要时可以直接通过实例化创建；最后提供一个享元工厂负责创建和管理享元角色，请求对象时如果有则提供给客户，没有则创建一个新的对象。

有道词典：Flyweight pattern

享元模式：减少内存使用量，相似物件分享资讯，共享部分状态，放在外部资料结构，需要时传递给享元；

享元模式中存在以下两种状态：

1. 内部状态，即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
2. 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。

享元模式主要有以下角色：

• 抽象享元角色Flyweight：通常是一个接口或抽象类，在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法，这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同时也可以通过这些方法来设置外部数据（外部状态）。
• 具体享元角色 Concrete Flyweight：它实现了抽象享元类，称为享元对象；在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类，为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。
• 非享元角色Unsharable Flyweight ：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类（可以理解为外部状态）可设计为非共享具体享元类；当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
• 享元工厂角色Flyweight Factory ：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。

案例：俄罗斯方块

下图是俄罗斯方块中的一个个方块，在这个游戏中每个不同的方块都是一个实例对象，这些对象就是要占用很多内存，使用享元模式可以进行优化；

类图：

工厂只有一个，所以设计成单例的，工厂的成员是一个hashmap类型的变量，用来存储这些图形的名称和图形对象；

有了这个hashmap后，需要获取具体的图形的话，就不需要new了，直接通过工厂获取就可以；

• 单例：私有化构造方法
• getInstance()：获取工厂类对象
• getBox()：根据名称获取图形对象

代码：俄罗斯方块享元模式代码

构造出工厂的时候，HashMap中已经有了具体的图形对象，此时通过工厂获取图形时，只用从中间拿出来就行，拿同一个对象拿的是同一个地址的，然后此时可以分别对拿出来的对象赋予外部状态，案例中形状是内部状图，颜色是外部状态

从main的结果中可以看出，不同颜色的两个“I”图形为同一个对象，说明享元模式对图形对象进行了共享操作

享元模式的优点：

• 减少内存中相似或相同对象的数量，节约资源提高性能
• 外部状态相对独立且不影响内部状态

享元模式的缺点：

• 为了使对象可以共享，需要将享元对象的部分状态外部化（颜色），分离内部状态和外部状态，使程序逻辑复杂

  但是如果不区分的话，对于“I”图形的不同颜色需要有两个对象，这样会导致在内存中占用过多的内存资源

使用场景：

• 一个系统有大量相同或者相似的对象，造成内存的大量耗费。
• 对象的大部分状态都可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中。
• 在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池，而这需要耗费一定的系统资源，因此，应当在需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。

代码区

俄罗斯方块享元模式代码

抽象享元角色

对俄罗斯方块不同的形状向上抽取出AbstractBox，定义公共属性和行为

package com.lmcode.FlywrightPattern.tetris;

// 抽象享元角色
// 对俄罗斯方块不同的形状向上抽取出AbstractBox，定义公共属性和行为
public abstract class AbstractBox {

    // 获取图形的方法
    public abstract String getShape();

    // 显示图形及颜色
    public void display(String color) {
        System.out.println("方块形状：" + this.getShape() + " 颜色：" + color);
    }
}

不同的形状

package com.lmcode.FlywrightPattern.tetris;
// 不同的形状
public class IBox extends AbstractBox{
    @Override
    public String getShape() {
        return "I";
    }
}

package com.lmcode.FlywrightPattern.tetris;

public class LBox extends AbstractBox{
    @Override
    public String getShape() {
        return "L";
    }
}

package com.lmcode.FlywrightPattern.tetris;

public class OBox extends AbstractBox{
    @Override
    public String getShape() {
        return "O";
    }
}

提供了一个工厂类（BoxFactory），用来管理享元对象（也就是AbstractBox子类对象），
该工厂类对象只需要一个，所以可以使用单例模式。并给工厂类提供一个获取形状的方法。

package com.lmcode.FlywrightPattern.tetris;

import java.util.HashMap;

/*提供了一个工厂类（BoxFactory），用来管理享元对象（也就是AbstractBox子类对象），
该工厂类对象只需要一个，所以可以使用单例模式。并给工厂类提供一个获取形状的方法。*/
public class BoxFactory {
    // 图形的名称,具体的图形对象
    private HashMap<String,AbstractBox> graph_map;
    // 私有化构造方法
    private BoxFactory(){
        graph_map = new HashMap<String,AbstractBox>();
        graph_map.put("I",new IBox());
        graph_map.put("L",new LBox());
        graph_map.put("O",new OBox());
    }

    /*饿汉式单例模式*/
    // 提供一个方法获取该工厂类对象
    public static BoxFactory getInstance(){
        return factory;
    }
    private static BoxFactory factory = new BoxFactory();

    // 根据名称获取图形对象
    public AbstractBox getGraph(String name){
        return graph_map.get(name);
    }
}

main

package com.lmcode.FlywrightPattern.tetris;

public class main {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractBox i = BoxFactory.getInstance().getGraph("I");
        i.display("白色");    //方块形状：I 颜色：白色
        String shape = i.getShape();
        System.out.println("shape:"+shape); //shape:I

        AbstractBox i2 = BoxFactory.getInstance().getGraph("I");
        i2.display("绿色");   //方块形状：I 颜色：绿色
        System.out.println("shape:" + i2.getShape());   //shape:I

        System.out.println("两个是否为同一个对象：" + (i==i2));    //true

    }
}

JDK源码解析

Integer类使用了享元模式。我们先看下面的例子：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;
        System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象？" + (i1 == i2));//true

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;
        System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4));//false
    }
}

为什么第一个输出语句输出的是true，第二个输出语句输出的是false？通过反编译软件进行反编译，代码如下：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = Integer.valueOf((int)127);
        Integer i2 Integer.valueOf((int)127);
        System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i1\u548ci2\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i1 == i2)).toString());
        Integer i3 = Integer.valueOf((int)128);
        Integer i4 = Integer.valueOf((int)128);
        System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i3\u548ci4\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i3 == i4)).toString());
    }
}

上面代码可以看到，直接给Integer类型的变量赋值基本数据类型数据的操作底层使用的是 valueOf() ，所以只需要看该方法即可

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
    
	public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    
    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.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) {
                }
            }
            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() {}
    }
}

可以看到 Integer 默认先创建并缓存 -128 ~ 127 之间数的 Integer 对象，当调用 valueOf 时如果参数在 -128 ~ 127 之间则计算下标并从缓存中返回，否则创建一个新的 Integer 对象。