设计模式（九）之结构型模式-享元模式

一、享元模式

1、案例分析

1.1 展示网站项目需求

小型的外包项目，给客户A做一个产品展示网站，客户A的朋友感觉效果不错，也希望做这样的产品展示网站，但是要求有些不同：

1. 有客户要求以新闻的形式发布
2. 有客户要求以博客的形式发布
3. 有客户希望以微信公众号的形式发布

1.2 传统方案解决网站展现项目

1. 直接复制粘贴一份，然后根据客户不同要求，进行定制修改
2. 给每个网站租用一个空间
3. 方案设计示意图

1.3 传统方案解决网站展现项目-问题分析

1. 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，造成服务器的资源浪费
2. 解决思路：整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，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
3. 对于代码来说，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易
4. 上面的解决思路就可以使用 享元模式 来解决。

2、享元模式基本介绍

2.1 基本介绍

1. 享元模式（Flyweight Pattern）也叫蝇量模式，运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象
2. 常用于系统底层开发，解决系统的性能问题。像数据库连接池，里面都是创建好的连接对象，在这些连接对象中有我们需要的则直接拿来用，避免重新创建，如果没有我们需要的，则创建一个
3. 享元模式能够解决 重复对象的内存浪费的问题，当系统中有大量相似对象，需要缓冲池时，不需要总是创建新对象，可以从缓冲池中拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率。
4. 享元模式经典的应用场景就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，享元模式是池技术的重要实现方式。

2.2 原理类图

1. FlyWeight是抽象的享元角色，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（后面介绍）的接口或实现
2. ConcreteFlyWeight是具体的享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义相关业务
3. UnSharedFlyWeight是不可共享的角色，一般不会出现在享元工厂
4. FlyWeightFactory享元工厂类，用于构建一个池容器（集合），同时提供从池中获取对象的方法

2.2.1 内部状态和外部状态

举例：比如围棋、五子棋、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，跳棋颜色多一点，所以棋子颜色就是棋子的内部状态（相对稳定）；而各个棋子之间的差别就是位置的不同，当我们落子后，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以棋子坐标就是棋子的外部状态

1. 享元模式提出了两个要求：细粒度和共享对象。这里就涉及到内部状态和外部状态，即将对象信息分为两个部分：内部状态和外部状态。
2. 内部状态：对象共享出来的信息，存储在享元对象内部且不会随环境的改变而改变
3. 外部状态：对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变，不可共享。

再次举例：围棋理论上有361个空位可以放棋子，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（黑加白），这样就很好的解决了对象的开销问题。

3、代码实例

3.1 享元模式解决网站项目需求类图

3.2 WebSite类

public abstract class WebSite {
    public abstract void use();//抽象方法
}

3.3 ConcreteWebSite类

public class ConcreteWebSite extends  WebSite{
    //内部状态
    private String type = "";//网站发布的形式（类型）

    public ConcreteWebSite(String type) {
        this.type = type;
    }

    @Override
    public void use() {
        System.out.println("网站的发布形式为:"+type+"在使用中....");
    }
}

3.4 WebSiteFactory类

import java.util.HashMap;

//网站工厂类，根据需求返回一个网站
public class WebSiteFactory {

    //集合，充当池的作用
    private HashMap<String,ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();

    //根据网站的类型，返回一个网站，如果没有就创建一个网站，并放入池中，并返回
    public WebSite getWebSiteCategory(String type){
        if(!pool.containsKey(type)){
            //如果没有，则创建一个放入池中
            pool.put(type,new ConcreteWebSite(type));
        }
        return (WebSite) pool.get(type);
    }

    //根据网站分类的总数（池中有多少个网站类型）
    public int getWebSiteCount(){
        return pool.size();
    }
}

3.5 Client类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个工厂类
        WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

        //客户要一个以新闻形式发布的网站
        WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");
        webSite1.use();
    }
}

结果：

网站的发布形式为:新闻在使用中....

3.5.1 Client类修改

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个工厂类
        WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

        //客户要一个以新闻形式发布的网站
        WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");
        webSite1.use();

        //客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite2 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite2.use();

        //客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite3 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite3.use();

        //客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite4 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite4.use();

        System.out.println("网站的分给共："+factory.getWebSiteCount());
    }
}

结果：

网站的发布形式为:新闻在使用中....
网站的发布形式为:博客在使用中....
网站的发布形式为:博客在使用中....
网站的发布形式为:博客在使用中....
网站的分给共：2

3.5.2 分析

在ConcreteWebSite类中，type可以看做为内部状态，但我们缺少外部状态

因此可以修改其类图

3.6 加入外部状态后的代码实例

3.6.1 WebSite类

public abstract class WebSite {
    public abstract void use(User user);//抽象方法
}

3.6.2 User类

User作为外部状态，每一个不同用户

public class User {
    private String name;

    public User(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

3.6.3 ConcreteWebSite类

将外部状态user作为参数，添加在use方法中

public class ConcreteWebSite extends  WebSite{
    //内部状态
    private String type = "";//网站发布的形式（类型）

    public ConcreteWebSite(String type) {
        this.type = type;
    }

    @Override
    public void use(User user) {
        System.out.println("网站的发布形式为:"+type+","+user.getName()+"在使用中....");
    }
}

3.6.4 WebSiteFactory类

import java.util.HashMap;

//网站工厂类，根据需求返回一个网站
public class WebSiteFactory {

    //集合，充当池的作用
    private HashMap<String,ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();

    //根据网站的类型，返回一个网站，如果没有就创建一个网站，并放入池中，并返回
    public WebSite getWebSiteCategory(String type){
        if(!pool.containsKey(type)){
            //如果没有，则创建一个放入池中
            pool.put(type,new ConcreteWebSite(type));
        }
        return (WebSite) pool.get(type);
    }

    //根据网站分类的总数（池中有多少个网站类型）
    public int getWebSiteCount(){
        return pool.size();
    }
}

3.6.5 Client类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个工厂类
        WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

        //客户要一个以新闻形式发布的网站
        WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");
        webSite1.use(new User("Tom"));

        //客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite2 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite2.use(new User("Ldg"));

        //客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite3 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite3.use(new User("ooo"));

        //客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite4 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite4.use(new User("hhh"));

        System.out.println("网站的分给共："+factory.getWebSiteCount());
    }
}

结果：

网站的发布形式为:新闻,Tom在使用中....
网站的发布形式为:博客,Ldg在使用中....
网站的发布形式为:博客,ooo在使用中....
网站的发布形式为:博客,hhh在使用中....
网站的分给共：2

4、享元模式在JDK Integer的应用源码分析

4.1 代码：FlyWeight类

public class FlyWeight {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(127);//得到x的实例，类型Integer
        Integer y = new Integer(127);
        Integer z = Integer.valueOf(127);
        Integer w = new Integer(127);

        System.out.println(x.equals(y));//true，比较值大小
        System.out.println(x==y);//false
        System.out.println(x==z);//true
        System.out.println(w==x);//false
        System.out.println(w==y);//false
    }
}

结果：

true
false
true
false
false

4.2 Integer.valueof代码源码

public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

4.3 IntegerCache类

分析：

• 如果Integer.valueof(x) : x在-128到127之间，就是使用享元模式返回 ；如果不在该范围内，则仍然new一个新的对象

4.4 测试

public class FlyWeight {

    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(127);//得到x的实例，类型Integer
        Integer y = new Integer(127);
        Integer z = Integer.valueOf(127);
        Integer w = new Integer(127);

        System.out.println(x.equals(y));//true，比较值大小
        System.out.println(x==y);//false
        System.out.println(x==z);//true
        System.out.println(w==x);//false
        System.out.println(w==y);//false

        Integer x1 = Integer.valueOf(200);
        Integer x2 = Integer.valueOf(200);
        System.out.println("x1==x2"+(x1==x2));
    }
}

结果：

true
false
true
false
false
x1==x2false

5、享元模式的注意事项和细节

1. 享元模式：“享”表示共享，“元”表示对象。
2. 系统中有大量对象，这些对象消耗大量内存，并且对象的状态大部分可以外部化时，我们就可以考虑选用享元模式。
3. 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
4. 享元模式大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率
5. 享元模式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。这是我们使用享元模式需要注意的地方
6. 使用享元模式时，注意划分内部状态和外部状态，并且需要有一个工厂类加以控制
7. 享元模式经典的应用场景是需要缓冲池的场景，比如String常量池、数据库连接池等