一文搞懂設(shè)計(jì)模式—享元模式
當(dāng)系統(tǒng)中存在大量相似對(duì)象時(shí)，每個(gè)對(duì)象都需要占用一定的內(nèi)存空間，如果這些對(duì)象的大部分屬性是相同的，那么頻繁創(chuàng)建這些對(duì)象會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存消耗過大。享元模式將這些相同部分抽取出來作為共享的內(nèi)部狀態(tài)，在需要時(shí)進(jìn)行共享，從而減少內(nèi)存占用。
享元模式（Flyweight Pattern）是一種結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式，旨在通過共享對(duì)象來最大化內(nèi)存利用和性能提升，享元模式嘗試重用現(xiàn)有的同類對(duì)象，如果未找到匹配的對(duì)象，則創(chuàng)建新對(duì)象。
使用場景
- 當(dāng)系統(tǒng)中存在大量相似對(duì)象且造成了內(nèi)存浪費(fèi)時(shí)，可以考慮使用享元模式。
- 對(duì)象的狀態(tài)可以外部化，并且剝離出共享部分和特有部分。
- 需要緩沖池的場景。
享元模式在對(duì)象池中的使用是一種常見的場景，通過對(duì)象池管理和復(fù)用對(duì)象實(shí)例，可以提高系統(tǒng)性能和資源利用率。對(duì)象池通常用于緩存、連接池等場景，其中對(duì)象的創(chuàng)建成本較高或者頻繁創(chuàng)建銷毀會(huì)影響性能時(shí)，對(duì)象池就顯得尤為重要。
在 Java 中，String 類的 intern() 方法是享元模式的一個(gè)應(yīng)用。intern() 方法返回字符串對(duì)象的規(guī)范化表示形式，即返回字符串池中與調(diào)用字符串等效的字符串。如果字符串池中已經(jīng)存在等效的字符串，則返回該字符串；否則，將此字符串添加到字符串池中，并返回新的字符串引用。
下面是一個(gè)示例代碼，演示了 String 類的 intern() 方法的應(yīng)用：
public class StringInternExample {
public static void main(String[] args) {
String str1 = "hello";
String str2 = new String("hello");
String str3 = str2.intern();
System.out.println("str1 == str2: " + (str1 == str2)); // false
System.out.println("str1 == str3: " + (str1 == str3)); // true
}
}在上述示例中，str1 和 str2 是兩個(gè)不同的字符串對(duì)象，盡管它們的值相同，但由于 str2 使用了 new String() 構(gòu)造方法創(chuàng)建，在堆內(nèi)存中會(huì)生成一個(gè)新的對(duì)象。而通過調(diào)用 intern() 方法后，str3 返回的是字符串池中已存在的字符串對(duì)象，因此 str1 和 str3 指向的是同一個(gè)對(duì)象，所以輸出結(jié)果為 "str1 == str3: true"。這就是 intern() 方法的享元模式應(yīng)用，避免了重復(fù)創(chuàng)建相同的字符串對(duì)象，節(jié)省了內(nèi)存空間。
具體實(shí)現(xiàn)
享元模式包含以下幾個(gè)角色：
- 抽象享元（Flyweight）： 定義了享元對(duì)象的外部狀態(tài)和內(nèi)部狀態(tài)，通過這個(gè)抽象類可以接受并作用于外部狀態(tài)。
- 具體享元（Concrete Flyweight）： 繼承了抽象享元類，包含內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)。具體享元對(duì)象需要確保內(nèi)部狀態(tài)是可以共享的，同時(shí)提供操作外部狀態(tài)的方法。
- 非共享具體享元（Unshared Concrete Flyweight）： 與共享具體享元相對(duì)應(yīng)，非共享具體享元是不能被共享的享元對(duì)象，通常是在具體享元中無法共享的情況下使用。
- 享元工廠（Flyweight Factory）： 負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理享元對(duì)象，在請(qǐng)求時(shí)返回已經(jīng)創(chuàng)建的享元對(duì)象實(shí)例或者新創(chuàng)建一個(gè)享元對(duì)象。享元工廠通常會(huì)維護(hù)一個(gè)享元池用于存儲(chǔ)已經(jīng)創(chuàng)建的享元對(duì)象。
在享元模式中，核心在于區(qū)分內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)。內(nèi)部狀態(tài)是可以共享的部分，而外部狀態(tài)是對(duì)象的非共享部分。
- 內(nèi)部狀態(tài)（Intrinsic State）： 內(nèi)部狀態(tài)是享元對(duì)象固有的、可以共享的狀態(tài)，它存儲(chǔ)在享元對(duì)象內(nèi)部并且不會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而改變。內(nèi)部狀態(tài)可以被多個(gè)享元對(duì)象共享，因此通常將其設(shè)計(jì)為不可變的屬性。內(nèi)部狀態(tài)對(duì)于享元對(duì)象的具體實(shí)現(xiàn)是必需的，但不會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而改變。
- 外部狀態(tài)（Extrinsic State）： 外部狀態(tài)是享元對(duì)象的可變部分，它隨著外部環(huán)境的變化而變化，需要通過客戶端傳入享元對(duì)象來進(jìn)行處理。外部狀態(tài)并不影響享元對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或行為，它只是作為享元對(duì)象行為的參數(shù)或上下文信息傳入。外部狀態(tài)具有固化特性，不應(yīng)該隨內(nèi)部狀態(tài)改變而改變，否則導(dǎo)致系統(tǒng)的邏輯混亂。
通過區(qū)分內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)，享元模式實(shí)現(xiàn)了將對(duì)象的共享部分和變化部分分離的目的，有效地減少了系統(tǒng)中重復(fù)對(duì)象的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的性能和資源利用率。內(nèi)部狀態(tài)是享元對(duì)象本身的屬性，而外部狀態(tài)則是根據(jù)具體情況動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)。
實(shí)現(xiàn)步驟和示例代碼如下：
1.首先定義抽象享元角色。
public abstract class Flyweight {
//內(nèi)部狀態(tài)
private String intrinsic;
//外部狀態(tài)
protected final String extrinsic;
//要求享元角色必須接受外部狀態(tài)
public Flyweight(String extrinsic){
this.extrinsic = extrinsic;
}
//定義業(yè)務(wù)操作
public abstract void operate();
//內(nèi)部狀態(tài)的getter/setter
public String getIntrinsic() {
return intrinsic;
}
public void setIntrinsic(String intrinsic) {
this.intrinsic = intrinsic;
}
}抽象享元角色一般為抽象類，它是描述一類事物的方法。
2.具體享元角色。
public class ConcreteFlyweight1 extends Flyweight{
//接受外部狀態(tài)
public ConcreteFlyweight1(String extrinsic){
super(extrinsic);
}
//根據(jù)外部狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理
public void operate(){
//業(yè)務(wù)邏輯
}
}public class ConcreteFlyweight2 extends Flyweight{
//接受外部狀態(tài)
public ConcreteFlyweight2(String extrinsic){
super(extrinsic);
}
//根據(jù)外部狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理
public void operate(){
//業(yè)務(wù)邏輯
}
}具體享元角色實(shí)現(xiàn)自己的業(yè)務(wù)邏輯，然后接收外部狀態(tài)，以便內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯對(duì)外部狀態(tài)的依賴。
3.享元工廠。
public class FlyweightFactory {
//定義一個(gè)池容器
private static Map<String, Flyweight> pool = new HashMap<>();
//享元工廠
public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
//需要返回的對(duì)象
Flyweight flyweight;
//在池中沒有該對(duì)象
if (pool.containsKey(extrinsic)) {
flyweight = pool.get(extrinsic);
} else {
//根據(jù)外部狀態(tài)創(chuàng)建享元對(duì)象
flyweight = new ConcreteFlyweight1(extrinsic);
//放置到池中
pool.put(extrinsic, flyweight);
}
return flyweight;
}
}4.客戶端調(diào)用
public static void main(String[] args) {
Flyweight flyweight1 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
System.out.println(flyweight1.hashCode());
Flyweight flyweight2 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
System.out.println(flyweight2.hashCode());
}
Output:
1705736037
1705736037可以發(fā)現(xiàn)對(duì)象打印的 hashCode 一致，說明對(duì)象得到了復(fù)用。
Tips：外部狀態(tài)最好以Java的基本類型作為標(biāo)志，如String、int等，可以大幅地提升效率。如果使用自己編寫的類作為外部狀態(tài)，則必須覆寫equals方法和hashCode方法，否則會(huì)出現(xiàn)通過鍵值搜索失敗的情況，例如map.get(object)、map.contains(object)等會(huì)返回失敗的結(jié)果。
線程安全問題
享元模式在多線程環(huán)境下可能存在線程安全問題，主要原因是享元對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)被多個(gè)線程共享和修改，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)競爭和不一致性。具體來說，如果多個(gè)線程同時(shí)嘗試修改同一個(gè)享元對(duì)象的外部狀態(tài)，就會(huì)引發(fā)線程安全問題。
下面是示例代碼：
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
Flyweight flyweight1 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
Flyweight flyweight2 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
System.out.println(flyweight1 == flyweight2);
}).start();
}
}
Output:
true
false
true
true
true
true
true
true
true
true這段代碼展示了多線程環(huán)境下使用享元模式的示例。在 main 方法中，通過循環(huán)創(chuàng)建了 10 個(gè)線程，在每個(gè)線程中嘗試獲取表示 "hello world" 的享元對(duì)象，并比較兩個(gè)獲取的對(duì)象是否相等。
可以觀察到輸出中存在 false，說明對(duì)象不一樣了，存在線程安全問題。
要想實(shí)現(xiàn)線程安全，需要對(duì)享元工廠類稍加改造，代碼如下：
public class FlyweightFactory {
//定義一個(gè)池容器
private static Map<String, Flyweight> pool = new ConcurrentHashMap<>();
//享元工廠
public static synchronized Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
Flyweight flyweight = pool.putIfAbsent(extrinsic, new ConcreteFlyweight1(extrinsic));
if (flyweight == null) {
return pool.get(extrinsic);
}
return flyweight;
}
}這樣就解決了線程安全問題，不過性能上會(huì)有所降低，在需要的地方考慮一下線程安全即可，在大部分的場景下都不用考慮。
總結(jié)
享元模式通過共享相似對(duì)象來減少內(nèi)存消耗，提高系統(tǒng)性能。它適用于存在大量相似對(duì)象且造成內(nèi)存浪費(fèi)的場景，但需要注意對(duì)內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)的管理。合理應(yīng)用享元模式可以有效優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，提升性能。
優(yōu)點(diǎn)
- 大幅減少內(nèi)存使用，提高系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象的復(fù)用，節(jié)約資源。
- 在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)象狀態(tài)的外部化，方便對(duì)對(duì)象狀態(tài)的管理和維護(hù)。
缺點(diǎn)
- 對(duì)象狀態(tài)的外部化可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)。
- 提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度，需要分離出外部狀態(tài)和內(nèi)部狀態(tài)，而且外部狀態(tài)具有固有化的性質(zhì)，不應(yīng)該隨著內(nèi)部狀態(tài)的變化而變化，否則會(huì)造成系統(tǒng)的混亂。
