20 【结构型模式】享元模式
2018-01-07 本文已影响36人
猿笔记
定义
享元模式(Flyweight Pattern)：运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象，而这些对象都很相似，状态变化很小，可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象，因此它又称为轻量级模式，它是一种对象结构型模式。
享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态(Intrinsic State)和外部状态(Extrinsic State)：
- 内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态，内部状态可以共享。如字符的内容，不会随外部环境的变化而变化，无论在任何环境下字符“a”始终是“a”，都不会变成“b”。
- 外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。享元对象的外部状态通常由客户端保存，并在享元对象被创建之后，需要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。如字符的颜色，可以在不同的地方有不同的颜色，例如有的“a”是红色的，有的“a”是绿色的，字符的大小也是如此，有的“a”是五号字，有的“a”是四号字。而且字符的颜色和大小是两个独立的外部状态，它们可以独立变化，相互之间没有影响，客户端可以在使用时将外部状态注入享元对象中。
- 在享元模式中，存储这些共享实例对象的地方称为享元池(Flyweight Pool)
结构图
要素：
- Flyweight（抽象享元类）：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）。
- ConcreteFlyweight（具体享元类）：它实现了抽象享元类，其实例称为享元对象；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。
- UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元类）：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。
- FlyweightFactory（享元工厂类）：享元工厂类用于创建并管理享元对象，它针对抽象享元类编程，将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中，享元池一般设计为一个存储“键值对”的集合（也可以是其他类型的集合），可以结合工厂模式进行设计；当用户请求一个具体享元对象时，享元工厂提供一个存储在享元池中已创建的实例或者创建一个新的实例（如果不存在的话），返回新创建的实例并将其存储在享元池中。
class FlyweightFactory {
//定义一个HashMap用于存储享元对象，实现享元池
private HashMap flyweights = newHashMap();
public Flyweight getFlyweight(String key){
//如果对象存在，则直接从享元池获取
if(flyweights.containsKey(key)){
return(Flyweight)flyweights.get(key);
}
//如果对象不存在，先创建一个新的对象添加到享元池中，然后返回
else {
Flyweight fw = newConcreteFlyweight();
flyweights.put(key,fw);
return fw;
}
}
}
class Flyweight {
//内部状态intrinsicState作为成员变量，同一个享元对象其内部状态是一致的
private String intrinsicState;
public Flyweight(String intrinsicState) {
this.intrinsicState=intrinsicState;
}
//外部状态extrinsicState在使用时由外部设置，不保存在享元对象中，即使是同一个对象，在每一次调用时也可以传入不同的外部状态
public void operation(String extrinsicState) {
......
}
}
示例
围棋设计：
import java.util.*;
//围棋棋子类：抽象享元类
abstract class IgoChessman {
public abstract String getColor();
public void display() {
System.out.println("棋子颜色：" + this.getColor());
}
}
//黑色棋子类：具体享元类
class BlackIgoChessman extends IgoChessman {
public String getColor() {
return "黑色";
}
}
//白色棋子类：具体享元类
class WhiteIgoChessman extends IgoChessman {
public String getColor() {
return "白色";
}
}
//围棋棋子工厂类：享元工厂类，使用单例模式进行设计
class IgoChessmanFactory {
private static IgoChessmanFactory instance = new IgoChessmanFactory();
private static Hashtable ht; //使用Hashtable来存储享元对象，充当享元池
private IgoChessmanFactory() {
ht = new Hashtable();
IgoChessman black,white;
black = new BlackIgoChessman();
ht.put("b",black);
white = new WhiteIgoChessman();
ht.put("w",white);
}
//返回享元工厂类的唯一实例
public static IgoChessmanFactory getInstance() {
return instance;
}
//通过key来获取存储在Hashtable中的享元对象
public static IgoChessman getIgoChessman(String color) {
return (IgoChessman)ht.get(color);
}
}
class Client {
public static void main(String args[]) {
IgoChessman black1,black2,black3,white1,white2;
IgoChessmanFactory factory;
//获取享元工厂对象
factory = IgoChessmanFactory.getInstance();
//通过享元工厂获取三颗黑子
black1 = factory.getIgoChessman("b");
black2 = factory.getIgoChessman("b");
black3 = factory.getIgoChessman("b");
System.out.println("判断两颗黑子是否相同：" + (black1==black2));
//通过享元工厂获取两颗白子
white1 = factory.getIgoChessman("w");
white2 = factory.getIgoChessman("w");
System.out.println("判断两颗白子是否相同：" + (white1==white2));
//显示棋子
black1.display();
black2.display();
black3.display();
white1.display();
white2.display();
}
}
带外部状态的解决方案：
//坐标类：外部状态类
class Coordinates {
private int x;
private int y;
public Coordinates(int x,int y) {
this.x = x;
this.y = y;
}
public int getX() {
return this.x;
}
public void setX(int x) {
this.x = x;
}
public int getY() {
return this.y;
}
public void setY(int y) {
this.y = y;
}
}
//围棋棋子类：抽象享元类
abstract class IgoChessman {
public abstract String getColor();
public void display(Coordinates coord){
System.out.println("棋子颜色：" + this.getColor() + "，棋子位置：" + coord.getX() + "，" + coord.getY() );
}
}
class Client {
public static void main(String args[]) {
IgoChessman black1,black2,black3,white1,white2;
IgoChessmanFactory factory;
//获取享元工厂对象
factory = IgoChessmanFactory.getInstance();
//通过享元工厂获取三颗黑子
black1 = factory.getIgoChessman("b");
black2 = factory.getIgoChessman("b");
black3 = factory.getIgoChessman("b");
System.out.println("判断两颗黑子是否相同：" + (black1==black2));
//通过享元工厂获取两颗白子
white1 = factory.getIgoChessman("w");
white2 = factory.getIgoChessman("w");
System.out.println("判断两颗白子是否相同：" + (white1==white2));
//显示棋子，同时设置棋子的坐标位置
black1.display(new Coordinates(1,2));
black2.display(new Coordinates(3,4));
black3.display(new Coordinates(1,3));
white1.display(new Coordinates(2,5));
white2.display(new Coordinates(2,4));
}
}
单纯享元模式
在单纯享元模式中，所有的具体享元类都是可以共享的，不存在非共享具体享元类。
复合享元模式
将一些单纯享元对象使用组合模式加以组合，还可以形成复合享元对象，这样的复合享元对象本身不能共享，但是它们可以分解成单纯享元对象，而后者则可以共享。
用途：如果希望为多个内部状态不同的享元对象设置相同的外部状态，可以考虑使用复合享元模式。
补充说明
- 享元模式通常需要和其他模式一起联用，几种常见的联用方式如下：
(1)在享元模式的享元工厂类中通常提供一个静态的工厂方法用于返回享元对象，使用简单工厂模式来生成享元对象。
(2)在一个系统中，通常只有唯一一个享元工厂，因此可以使用单例模式进行享元工厂类的设计。
(3)享元模式可以结合组合模式形成复合享元模式，统一对多个享元对象设置外部状态。 - JDK类库中的String类使用了享元模式
总结
主要优点：
(1) 可以极大减少内存中对象的数量，使得相同或相似对象在内存中只保存一份，从而可以节约系统资源，提高系统性能。
(2) 享元模式的外部状态相对独立，而且不会影响其内部状态，从而使得享元对象可以在不同的环境中被共享。
主要缺点：
(1) 享元模式使得系统变得复杂，需要分离出内部状态和外部状态，这使得程序的逻辑复杂化。
(2) 为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的部分状态外部化，而读取外部状态将使得运行时间变长。
适用场景
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
