设计模式之享元模式详解(定义、优缺点、应用场景、实例类图）

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。

一、享元模式的概要

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

1. 避免因创建大量对象而导致的内存溢出问题。

2. 通过共享对象，提高内存使用效率。

使用场景

1. 当系统中存在大量相似或相同的对象。

2. 对象的创建和销毁成本较高。

3. 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

1. 定义享元接口：创建一个享元接口，规定可以共享的状态。

2. 创建具体享元类：实现该接口的具体类，包含内部状态。

3. 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

1. HashMap：使用哈希表存储已经创建的享元对象，以便快速检索。

结构

享元模式包含以下几个核心角色：

1. 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。

1. 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。

1. 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。

1. 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。

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。

二、享元模式的优缺点

优点

1. 减少内存消耗：通过共享对象，减少了内存中对象的数量。

2. 提高效率：减少了对象创建的时间，提高了系统效率。

缺点

1. 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。

2. 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。

三、享元模式的使用建议

1. 在创建大量相似对象时考虑使用享元模式。

2. 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。

3. 状态分离：明确区分内部状态和外部状态，避免混淆。

4. 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。

四、享元模式的实现

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。

1. 步骤 1：创建一个接口。

Shape.java

public interface Shape {
   void draw();
}

1. 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);
   }
}

1. 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;
   }
}

1. 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);
   }
}

1. 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

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