JAVA设计模式（08）：结构化-飞锤（Flyweight）

当前咱们国家正在大力倡导构建和谐社会，当中一个非常重要的组成部分就是建设资源节约型社会，“浪费可耻，节俭光荣”。

在软件系统中，有时候也会存在资源浪费的情况，比如在计算机内存中存储了多个全然同样或者非常相似的对象，假设这些对象的数量太多将导致系统执行代价过高。内存属于计算机的“稀缺资源”，不应该用来“随便浪费”，那么是否存在一种技术能够用于节约内存使用空间，实现对这些同样或者相似对象的共享訪问呢？答案是肯定，这样的技术就是我们本章将要学习的享元模式。

1 围棋棋子的设计

Sunny软件公司欲开发一个围棋软件，其界面效果如图1所看到的：

图1 围棋软件界面效果图

Sunny软件公司开发者通过对围棋软件进行分析。发如今围棋棋盘中包括大量的黑子和白子。它们的形状、大小都一模一样，仅仅是出现的位置不同而已。

假设将每个棋子都作为一个独立的对象存储在内存中。将导致该围棋软件在执行时所需内存空间较大。怎样减少执行代价、提高系统性能是Sunny公司开发者须要解决的一个问题。

为了解决问题，Sunny公司开发者决定使用享元模式来设计该围棋软件的棋子对象，那么享元模式是怎样实现节约内存进而提高系统性能的呢？别着急，以下让我们正式进入享元模式的学习。

2 享元模式概述

当一个软件系统在执行时产生的对象数量太多，将导致执行代价过高，带来系统性能下降等问题。比如在一个文本字符串中存在非常多反复的字符。假设每个字符都用一个单独的对象来表示，将会占用较多的内存空间，那么我们怎样去避免系统中出现大量同样或相似的对象，同一时候又不影响client程序通过面向对象的方式对这些对象进行操作？享元模式正为解决这一类问题而诞生。享元模式通过共享技术实现同样或相似对象的重用，在逻辑上每个出现的字符都有一个对象与之相应，然而在物理上它们却共享同一个享元对象，这个对象能够出如今一个字符串的不同地方。同样的字符对象都指向同一个实例。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)。

我们能够针对每个不同的字符创建一个享元对象，将其放在享元池中，须要时再从享元池取出。如图2所看到的：

图2 字符享元对象示意图

享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用。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)。

以下将对享元的内部状态和外部状态进行简单的介绍：

(1)  内部状态是存储在享元对象内部而且不会随环境改变而改变的状态，内部状态能够共享。如字符的内容，不会随外部环境的变化而变化，不管在不论什么环境下字符“a”始终是“a”，都不会变成“b”。

(2)  外部状态是随环境改变而改变的、不能够共享的状态。享元对象的外部状态通常由client保存。并在享元对象被创建之后。须要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与还有一个外部状态之间是相互独立的。

如字符的颜色。能够在不同的地方有不同的颜色。比如有的“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。并且字符的颜色和大小是两个独立的外部状态。它们能够独立变化，相互之间没有影响，client能够在使用时将外部状态注入享元对象中。

正由于区分了内部状态和外部状态，我们能够将具有同样内部状态的对象存储在享元池中，享元池中的对象是能够实现共享的。须要的时候就将对象从享元池中取出。实现对象的复用。通过向取出的对象注入不同的外部状态，能够得到一系列相似的对象，而这些对象在内存中实际上仅仅存储一份。

享元模式定义例如以下：

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。系统仅仅使用少量的对象。而这些对象都非常相似。状态变化非常小，可以实现对象的多次复用。

因为享元模式要求可以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。

享元模式结构较为复杂，一般结合工厂模式一起使用，在它的结构图中包括了一个享元工厂类。其结构图如图3所看到的：

图3 享元模式结构图

在享元模式结构图中包括例如以下几个角色：

● Flyweight（抽象享元类）：一般是一个接口或抽象类。在抽象享元类中声明了详细享元类公共的方法，这些方法能够向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同一时候也能够通过这些方法来设置外部数据（外部状态）。

● ConcreteFlyweight（详细享元类）：它实现了抽象享元类。事实上例称为享元对象；在详细享元类中为内部状态提供了存储空间。

通常我们能够结合单例模式来设计详细享元类。为每个详细享元类提供唯一的享元对象。

● UnsharedConcreteFlyweight（非共享详细享元类）：并非全部的抽象享元类的子类都须要被共享，不能被共享的子类可设计为非共享详细享元类；当须要一个非共享详细享元类的对象时能够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，将各种类型的详细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（也能够是其它类型的集合），能够结合工厂模式进行设计；当用户请求一个详细享元对象时，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（假设不存在的话），返回新创建的实例并将其存储在享元池中。

在享元模式中引入了享元工厂类，享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池，当用户须要对象时，首先从享元池中获取。假设享元池中不存在，则创建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。典型的享元工厂类的代码例如以下：

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){
              //假设对象存在。则直接从享元池获取
              if(flyweights.containsKey(key)){
                     return(Flyweight)flyweights.get(key);
              }
              //假设对象不存在，先创建一个新的对象加入到享元池中，然后返回
              else {
                     Flyweight fw = newConcreteFlyweight();
                     flyweights.put(key,fw);
                     return fw;
              }
       }
}

享元类的设计是享元模式的要点之中的一个，在享元类中要将内部状态和外部状态分开处理，通常将内部状态作为享元类的成员变量。而外部状态通过注入的方式加入到享元类中。典型的享元类代码例如以下所看到的：

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，在每一次调用时也能够传入不同的外部状态
       public void operation(String  extrinsicState) {
              ......
       }
}

3 完整解决方式

为了节约存储空间。提高系统性能，Sunny公司开发者使用享元模式来设计围棋软件中的棋子。其基本结构如图4所看到的：

图4 围棋棋子结构图

在图4中。IgoChessman充当抽象享元类，BlackIgoChessman和WhiteIgoChessman充当详细享元类。IgoChessmanFactory充当享元工厂类。完整代码例如以下所看到的：

[java] view
plaincopy

1. import java.util.*;
2. //围棋棋子类：抽象享元类
3. abstract class IgoChessman {
4. public abstract String getColor();
5. public void display() {
6. System.out.println("棋子颜色：" + this.getColor());
7. }
8. }
9. //黑色棋子类：详细享元类
10. class BlackIgoChessman extends IgoChessman {
11. public String getColor() {
12. return "黑色";
13. }
14. }
15. //白色棋子类：详细享元类
16. class WhiteIgoChessman extends IgoChessman {
17. public String getColor() {
18. return "白色";
19. }
20. }
21. //围棋棋子工厂类：享元工厂类。使用单例模式进行设计
22. class IgoChessmanFactory {
23. private static IgoChessmanFactory instance = new IgoChessmanFactory();
24. private static Hashtable ht; //使用Hashtable来存储享元对象。充当享元池
25. private IgoChessmanFactory() {
26. ht = new Hashtable();
27. IgoChessman black,white;
28. black = new BlackIgoChessman();
29. ht.put("b",black);
30. white = new WhiteIgoChessman();
31. ht.put("w",white);
32. }
33. //返回享元工厂类的唯一实例
34. public static IgoChessmanFactory getInstance() {
35. return instance;
36. }
37. //通过key来获取存储在Hashtable中的享元对象
38. public static IgoChessman getIgoChessman(String color) {
39. return (IgoChessman)ht.get(color);
40. }
41. }

编写例如以下client測试代码：

[java] view
plaincopy

1. class Client {
2. public static void main(String args[]) {
3. IgoChessman black1,black2,black3,white1,white2;
4. IgoChessmanFactory factory;
5. //获取享元工厂对象
6. factory = IgoChessmanFactory.getInstance();
7. //通过享元工厂获取三颗黑子
8. black1 = factory.getIgoChessman("b");
9. black2 = factory.getIgoChessman("b");
10. black3 = factory.getIgoChessman("b");
11. System.out.println("推断两颗黑子是否同样：" + (black1==black2));
12. //通过享元工厂获取两颗白子
13. white1 = factory.getIgoChessman("w");
14. white2 = factory.getIgoChessman("w");
15. System.out.println("推断两颗白子是否同样：" + (white1==white2));
16. //显示棋子
17. black1.display();
18. black2.display();
19. black3.display();
20. white1.display();
21. white2.display();
22. }
23. }

编译并执行程序，输出结果例如以下：

推断两颗黑子是否同样：true

推断两颗白子是否同样：true

棋子颜色：黑色

棋子颜色：黑色

棋子颜色：黑色

棋子颜色：白色

棋子颜色：白色

从输出结果能够看出，尽管我们获取了三个黑子对象和两个白子对象，可是它们的内存地址同样。也就是说，它们实际上是同一个对象。在实现享元工厂类时我们使用了单例模式和简单工厂模式。确保了享元工厂对象的唯一性，并提供工厂方法来向client返回享元对象。

4 带外部状态的解决方式

Sunny软件公司开发者通过对围棋棋子进行进一步分析，发现尽管黑色棋子和白色棋子可以共享，可是它们将显示在棋盘的不同位置，怎样让同样的黑子或者白子可以多次反复显示且位于一个棋盘的不同地方？解决方法就是将棋子的位置定义为棋子的一个外部状态，在须要时再进行设置。因此。我们在图14-4中添加了一个新的类Coordinates（坐标类），用于存储每个棋子的位置。改动之后的结构图如图8-5所看到的：

图8-5 引入外部状态之后的围棋棋子结构图

在图8-5中，除了添加一个坐标类Coordinates以外，抽象享元类IgoChessman中的display()方法也将相应添加一个Coordinates类型的參数，用于在显示棋子时指定其坐标，Coordinates类和改动之后的IgoChessman类的代码例如以下所看到的：

[java] view
plaincopy

1. //坐标类：外部状态类
2. class Coordinates {
3. private int x;
4. private int y;
5. public Coordinates(int x,int y) {
6. this.x = x;
7. this.y = y;
8. }
9. public int getX() {
10. return this.x;
11. }
12. public void setX(int x) {
13. this.x = x;
14. }
15. public int getY() {
16. return this.y;
17. }
18. public void setY(int y) {
19. this.y = y;
20. }
21. }
22. //围棋棋子类：抽象享元类
23. abstract class IgoChessman {
24. public abstract String getColor();
25. public void display(Coordinates coord){
26. System.out.println("棋子颜色：" + this.getColor() + "，棋子位置：" + coord.getX() + "。" + coord.getY() );
27. }
28. }

client測试代码改动例如以下：

[java] view
plaincopy

1. class Client {
2. public static void main(String args[]) {
3. IgoChessman black1,black2,black3,white1,white2;
4. IgoChessmanFactory factory;
5. //获取享元工厂对象
6. factory = IgoChessmanFactory.getInstance();
7. //通过享元工厂获取三颗黑子
8. black1 = factory.getIgoChessman("b");
9. black2 = factory.getIgoChessman("b");
10. black3 = factory.getIgoChessman("b");
11. System.out.println("推断两颗黑子是否同样：" + (black1==black2));
12. //通过享元工厂获取两颗白子
13. white1 = factory.getIgoChessman("w");
14. white2 = factory.getIgoChessman("w");
15. System.out.println("推断两颗白子是否同样：" + (white1==white2));
16. //显示棋子，同一时候设置棋子的坐标位置
17. black1.display(new Coordinates(1,2));
18. black2.display(new Coordinates(3,4));
19. black3.display(new Coordinates(1,3));
20. white1.display(new Coordinates(2,5));
21. white2.display(new Coordinates(2,4));
22. }
23. }

编译并执行程序，输出结果例如以下：

推断两颗黑子是否同样：true

推断两颗白子是否同样：true

棋子颜色：黑色，棋子位置：1，2

棋子颜色：黑色，棋子位置：3，4

棋子颜色：黑色，棋子位置：1，3

棋子颜色：白色，棋子位置：2。5

棋子颜色：白色，棋子位置：2，4

从输出结果能够看到。在每次调用display()方法时，都设置了不同的外部状态——坐标值，因此同样的棋子对象尽管具有同样的颜色，可是它们的坐标值不同，将显示在棋盘的不同位置。

5 单纯享元模式和复合享元模式

标准的享元模式结构图中既包括能够共享的详细享元类，也包括不能够共享的非共享详细享元类。

可是在实际使用过程中，我们有时候会用到两种特殊的享元模式：单纯享元模式和复合享元模式，以下将对这两种特殊的享元模式进行简单的介绍：

       1.单纯享元模式

在单纯享元模式中，全部的详细享元类都是能够共享的，不存在非共享详细享元类。单纯享元模式的结构如图6所看到的：

图6  单纯享元模式结构图

       2.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。还能够形成复合享元对象，这种复合享元对象本身不能共享，可是它们能够分解成单纯享元对象，而后者则能够共享。

复合享元模式的结构如图7所看到的：

图7  复合享元模式结构图

通过复合享元模式。能够确保复合享元类CompositeConcreteFlyweight中所包括的每一个单纯享元类ConcreteFlyweight都具有同样的外部状态。而这些单纯享元的内部状态往往能够不同。假设希望为多个内部状态不同的享元对象设置同样的外部状态。能够考虑使用复合享元模式。

6 关于享元模式的几点补充

       1.与其它模式的联用

享元模式通常须要和其它模式一起联用。几种常见的联用方式例如以下：

(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，通常仅仅有唯一一个享元工厂，因此能够使用单例模式进行享元工厂类的设计。

(3)享元模式能够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。

       2.享元模式与String类

JDK类库中的String类使用了享元模式，我们通过例如以下代码来加以说明：

class Demo {
       public  static void main(String args[]) {
              String  str1 = "abcd";
              String  str2 = "abcd";
              String  str3 = "ab" + "cd";
              String  str4 = "ab";
              str4  += "cd";

              System.out.println(str1  == str2);
              System.out.println(str1  == str3);
              System.out.println(str1  == str4);

              str2  += "e";
              System.out.println(str1  == str2);
       }
}

在Java语言中，假设每次运行类似String str1="abcd"的操作时都创建一个新的字符串对象将导致内存开销非常大。因此假设第一次创建了内容为"abcd"的字符串对象str1。下一次再创建内容同样的字符串对象str2时会将它的引用指向"abcd"。不会又一次分配内存空间，从而实现了"abcd"在内存中的共享。

上述代码输出结果例如以下：

true

true

false

false

能够看出。前两个输出语句均为true，说明str1、str2、str3在内存中引用了同样的对象；假设有一个字符串str4。其初值为"ab"，再对它进行操作str4
+= "cd"。此时尽管str4的内容与str1同样，可是因为str4的初始值不同，在创建str4时又一次分配了内存，所以第三个输出语句结果为false；最后一个输出语句结果也为false，说明当对str2进行改动时将创建一个新的对象，改动工作在新对象上完毕。而原来引用的对象并没有发生不论什么改变，str1仍然引用原有对象，而str2引用新对象，str1与str2引用了两个全然不同的对象。

扩展 关于Java    String类这样的在改动享元对象时，先将原有对象复制一份，然后在新对象上再实施改动操作的机制称为“Copy On Write”，大家能够自行查询相关资料来进一步了解和学习“Copy On Write”机制。在此不作具体说明。

7 享元模式总结

当系统中存在大量同样或者相似的对象时。享元模式是一种较好的解决方式。它通过共享技术实现同样或相似的细粒度对象的复用，从而节约了内存空间。提高了系统性能。相比其它结构型设计模式，享元模式的使用频率并不算太高，可是作为一种以“节约内存。提高性能”为出发点的设计模式。它在软件开发中还是得到了一定程度的应用。

       1.主要长处

享元模式的主要长处例如以下：

(1) 能够极大降低内存中对象的数量，使得同样或相似对象在内存中仅仅保存一份，从而能够节约系统资源，提高系统性能。

(2) 享元模式的外部状态相对独立，并且不会影响其内部状态，从而使得享元对象能够在不同的环境中被共享。

       2.主要缺点

享元模式的主要缺点例如以下：

(1) 享元模式使得系统变得复杂，须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) 为了使对象能够共享，享元模式须要将享元对象的部分状态外部化。而读取外部状态将使得执行时间变长。

       3.适用场景

在下面情况下能够考虑使用享元模式：

(1) 一个系统有大量同样或者相似的对象。造成内存的大量耗费。

(2) 对象的大部分状态都能够外部化，能够将这些外部状态传入对象中。

(3) 在使用享元模式时须要维护一个存储享元对象的享元池，而这须要耗费一定的系统资源，因此，应当在须要多次反复使用享元对象时才值得使用享元模式。

练习 Sunny软件公司欲开发一个多功能文档编辑器，在文本文档中能够插入图片、动画、视频等多媒体资料，为了节约系统资源，同样的图片、动画和视频在同一个文档中仅仅需保存一份，可是能够多次反复出现。并且它们每次出现时位置和大小均可不同。试使用享元模式设计该文档编辑器。

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