享元模式

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。

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

  • 避免因创建大量对象而导致的内存溢出问题。
  • 通过共享对象,提高内存使用效率。

使用场景

  • 当系统中存在大量相似或相同的对象。
  • 对象的创建和销毁成本较高。
  • 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

  • 定义享元接口:创建一个享元接口,规定可以共享的状态。
  • 创建具体享元类:实现该接口的具体类,包含内部状态。
  • 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

  • HashMap:使用哈希表存储已经创建的享元对象,以便快速检索。

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。

优点

  • 减少内存消耗:通过共享对象,减少了内存中对象的数量。
  • 提高效率:减少了对象创建的时间,提高了系统效率。

缺点

  • 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。
  • 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。

使用建议

  • 在创建大量相似对象时考虑使用享元模式。
  • 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。

注意事项

  • 状态分离:明确区分内部状态和外部状态,避免混淆。
  • 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。

结构

享元模式包含以下几个核心角色:

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。

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 CircleHashMap,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。

享元模式的 UML 图

步骤 1

创建一个接口。

Shape.java

public interface Shape { void draw(); }

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); } }

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; } }

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); } }

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