设计模式——享元模式

　　说到享元模式，第一个想到的应该就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，所以说享元模式是池技术的重要实现方式。

　　比如我们每次创建字符串对象时，都需要创建一个新的字符串对象的话，内存开销会很大，所以如果第一次创建了字符串对象“adam“，下次再创建相同的字符串”adam“时，只是把它的引用指向”adam“，这样就实现了”adam“字符串再内存中的共享。

　　举个最简单的例子，网络联机下棋的时候，一台服务器连接了多个客户端（玩家），如果我们每个棋子都要创建对象，那一盘棋可能就有上百个对象产生，玩家多点的话，因为内存空间有限，一台服务器就难以支持了，所以这里要使用享元模式，将棋子对象减少到几个实例。下面给出享元模式的定义。

　　享元模式（Flyweight），运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。UML结构图如下：

 　　其中，Flyweight是抽象享元角色。它是产品的抽象类，同时定义出对象的外部状态和内部状态（外部状态及内部状态相关内容见后方）的接口或实现；ConcreteFlyweight是具体享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义的业务；UnsharedConcreteFlyweight是不可共享的享元角色，一般不会出现在享元工厂中；FlyweightFactory是享元工厂，它用于构造一个池容器，同时提供从池中获得对象的方法。

　　1. Flyweight抽象类

　　所有具体享元类的超类或接口，通过这个接口，Flyweight可以接受并作用于外部状态。

 1 public abstract class Flyweight {
 2 
 3     //内部状态
 4     public String intrinsic;
 5     //外部状态
 6     protected final String extrinsic;
 7     
 8     //要求享元角色必须接受外部状态
 9     public Flyweight(String extrinsic) {
10         this.extrinsic = extrinsic;
11     }
12     
13     //定义业务操作
14     public abstract void operate(int extrinsic);
15 
16     public String getIntrinsic() {
17         return intrinsic;
18     }
19 
20     public void setIntrinsic(String intrinsic) {
21         this.intrinsic = intrinsic;
22     }
23 
24 }

　　2. ConcreteFlyweight类

　　继承Flyweight超类或实现Flyweight接口，并为其内部状态增加存储空间。

 1 public class ConcreteFlyweight extends Flyweight {
 2 
 3     //接受外部状态
 4     public ConcreteFlyweight(String extrinsic) {
 5         super(extrinsic);
 6     }
 7 
 8     //根据外部状态进行逻辑处理
 9     @Override
10     public void operate(int extrinsic) {
11         System.out.println("具体Flyweight:" + extrinsic);
12     }
13 
14 }

　　3. UnsharedConcreteFlyweight类

　　指那些不需要共享的Flyweight子类。

 1 public class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight {
 2 
 3     public UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsic) {
 4         super(extrinsic);
 5     }
 6 
 7     @Override
 8     public void operate(int extrinsic) {
 9         System.out.println("不共享的具体Flyweight:" + extrinsic);
10     }
11 
12 }

　　4. FlyweightFactory类

　　一个享元工厂，用来创建并管理Flyweight对象，主要是用来确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例或创建一个实例。

 1 public class FlyweightFactory {
 2 
 3     //定义一个池容器
 4     private static HashMap<String, Flyweight> pool = new HashMap<>();
 5     
 6     //享元工厂
 7     public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
 8         Flyweight flyweight = null;
 9         
10         if(pool.containsKey(extrinsic)) {    //池中有该对象
11             flyweight = pool.get(extrinsic);
12             System.out.print("已有 " + extrinsic + " 直接从池中取---->");
13         } else {
14             //根据外部状态创建享元对象
15             flyweight = new ConcreteFlyweight(extrinsic);
16             //放入池中
17             pool.put(extrinsic, flyweight);
18             System.out.print("创建 " + extrinsic + " 并从池中取出---->");
19         }
20         
21         return flyweight;
22     }
23 }

　　5. Client客户端

 1 public class Client {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         int extrinsic = 22;
 5         
 6         Flyweight flyweightX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");
 7         flyweightX.operate(++ extrinsic);
 8         
 9         Flyweight flyweightY = FlyweightFactory.getFlyweight("Y");
10         flyweightY.operate(++ extrinsic);
11         
12         Flyweight flyweightZ = FlyweightFactory.getFlyweight("Z");
13         flyweightZ.operate(++ extrinsic);
14         
15         Flyweight flyweightReX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");
16         flyweightReX.operate(++ extrinsic);
17         
18         Flyweight unsharedFlyweight = new UnsharedConcreteFlyweight("X");
19         unsharedFlyweight.operate(++ extrinsic);
20     }
21     
22 }

　　运行结果如下：

　　

　　从这个结果我们可以看出来，第一次创建X、Y、Z时，都是先创建再从池中取出，而第二次创建X时，因为池中已经存在了，所以直接从池中取出，这就是享元模式。

二、内部状态和外部状态

　　上面享元模式的定义为我们提出了两个要求：细粒度和共享对象。我们知道分配太多的对象到应用程序中将有损程序的性能，同时还容易造成内存溢出，要避免这种情况，用到的就是共享技术，这里就需要提到内部状态和外部状态了。

　　因为要求细粒度对象，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。

　　内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部并且不会随环境的改变而改变；外部状态指对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。

　　我们举一个最简单的例子，棋牌类游戏大家都有玩过吧，比如说说围棋和跳棋，它们都有大量的棋子对象，围棋和五子棋只有黑白两色，跳棋颜色略多一点，但也是不太变化的，所以棋子颜色就是棋子的内部状态；而各个棋子之间的差别就是位置的不同，我们落子嘛，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以方位坐标就是棋子的外部状态。

　　那么为什么这里要用享元模式呢？可以想象一下，上面提到的棋类游戏的例子，比如围棋，理论上有361个空位可以放棋子，常规情况下每盘棋都有可能有两三百个棋子对象产生，因为内存空间有限，一台服务器很难支持更多的玩家玩围棋游戏，如果用享元模式来处理棋子，那么棋子对象就可以减少到只有两个实例，这样就很好的解决了对象的开销问题。

三、享元模式的应用

　　1. 何时使用

• 系统中有大量对象时
• 这些对象消耗大量内存时
• 这些对象的状态大部分可以外部化时

　　2. 方法

• 用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象，用HashMap/HashTable存储

　　3. 优点

• 大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率

　　4. 缺点

• 提高了系统的复杂度。需要分离出内部状态和外部状态，而外部状态具有固化特性，不应该随着内部状态的改变而改变

 　　5. 使用场景

• 系统中存在大量相似对象
• 需要缓冲池的场景

 　　6. 应用实例

• String常量池
• 数据库连接池

 　　7. 注意事项

• 注意划分内部状态和外部状态，否则可能会引起线程安全问题
• 这些类必须有一个工厂类加以控制

 四、享元模式的实现

　　应用实例的话，其实上面的模板就已经是一个很好的例子了，类似于String常量池，没有的对象创建后存在池中，若池中存在该对象则直接从池中取出。

　　为了更好的理解享元模式，这里再举一个实例，比如接了我一个小型的外包项目，是做一个产品展示网站，后来他的朋友们也希望做这样的网站，但要求都有些不同，我们当然不能直接复制粘贴再来一份，有任希望是新闻发布形式的，有人希望是博客形式的等等，而且因为经费原因不能每个网站租用一个空间。

　　其实这里他们需要的网站结构相似度很高，而且都不是高访问量网站，如果分成多个虚拟空间来处理，相当于一个相同网站的实例对象很多，这是造成服务器的大量资源浪费。如果整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，那么对于硬盘、内存、CPU、数据库空间等服务器资源都可以达成共享，减少服务器资源；而对于代码，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易。

　　那么此时就可以用到享元模式了。UML图如下：

　　1. 网站抽象类

1 public abstract class WebSite {
2 
3     public abstract void use();
4     
5 }

　　2. 具体网站类

 1 public class ConcreteWebSite extends WebSite {
 2 
 3     private String name = "";
 4     
 5     public ConcreteWebSite(String name) {
 6         this.name = name;
 7     }
 8     
 9     @Override
10     public void use() {
11         System.out.println("网站分类：" + name);
12     }
13     
14 }

 　　3. 网络工厂类

　　这里使用HashMap来作为池，通过put和get方法实现加入池与从池中取的操作。

 1 public class WebSiteFactory {
 2 
 3     private HashMap<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();
 4     
 5     //获得网站分类
 6     public WebSite getWebSiteCategory(String key) {
 7         if(!pool.containsKey(key)) {
 8             pool.put(key, new ConcreteWebSite(key));
 9         }
10         
11         return (WebSite)pool.get(key);
12     }
13     
14     //获得网站分类总数
15     public int getWebSiteCount() {
16         return pool.size();
17     }
18     
19 }

 　　4. Client客户端

　　这里测试用例给了两种网站，原先我们需要做三个产品展示和三个博客的网站，也即需要六个网站类的实例，但其实它们本质上都是一样的代码，可以利用用户ID号的不同，来区分不同的用户，具体数据和模板可以不同，但代码核心和数据库却是共享的。

 1 public class Client {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();
 5         
 6         WebSite fx = factory.getWebSiteCategory("产品展示");
 7         fx.use();
 8         
 9         WebSite fy = factory.getWebSiteCategory("产品展示");
10         fy.use();
11         
12         WebSite fz = factory.getWebSiteCategory("产品展示");
13         fz.use();
14         
15         WebSite fa = factory.getWebSiteCategory("博客");
16         fa.use();
17         
18         WebSite fb = factory.getWebSiteCategory("博客");
19         fb.use();
20         
21         WebSite fc = factory.getWebSiteCategory("博客");
22         fc.use();
23         
24         System.out.println("网站分类总数为：" + factory.getWebSiteCount());
25     }
26     
27 }

 　　运行结果如下：

　　

　　可以看出，虽然我们做了6个网站，但网站分类只有2个。这样基本算是实现了享元模式的共享对象的目的，但想想上面提到的内部状态和外部状态，这里实际上没有体现对象间的不同，只体现了它们的共享部分。

　　5. 用户类

　　所以我们再加一个用户类，作为网站类的外部状态，并在use()方法中传递用户对象，UML如下：

　　下面添加一个User类。

 1 public class User {
 2 
 3     private String name;
 4 
 5     public User(String name) {
 6         this.name = name;
 7     }
 8     
 9     public String getName() {
10         return name;
11     }
12     
13 }

　　然后再对use()方法进行修改，添加参数，以抽象类为例： public abstract void use(User user); 

　　而客户端中只需对每一个网站添加一个用户即可，如： fx.use(new User("adam")); 

　　（具体内容可参考源码，源码地址见最下方）

　　运行结果如下：

　　

　　这样就可以协调内部与外部状态，哪怕接手了上千个网站的需求，只要要求相同或类似，实际开发代码也就是分类的哪几种。

　　源码地址：https://gitee.com/adamjiangwh/GoF