Java设计模式：Flyweight(享元)模式

概念定义

享元(Flyweight)模式运用共享技术高效地支持大量细粒度对象的复用。

当系统中存在大量相似或相同的对象时，有可能会造成内存溢出等问题。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，从而减少系统中重复创建对象实例的性能和内存消耗。

享元模式将对象的信息分为两个部分：内部状态(Internal State)和外部状态(External State)。内部状态是对象可共享出来的信息，存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变。外部状态是随环境改变而改变的、不可共享的状态，必须由客户端保存，并在享元对象创建后在需要使用时再传入到享元对象内部。

应用场景

• 系统中存在大量相同或相似对象
• 这些对象可以按照内部状态分为很多组，每组对象都可用一个对象来代替

示例代码

享元模式包含如下角色：

• 抽象享元(Flyweight) ：通常是接口或抽象类，规定所有具体享元角色需要实现的方法(向外界返回内部状态或接受外界传入参数以改变外部状态)。
• 具体享元(ConcreteFlyweight)：实现或继承抽象享元角色，并为内部状态提供存储空间。
• 享元工厂(FlyweightFactory)：创建并管理享元对象，将各种具体享元类存储到一个享元池(或缓存)中。当客户端请求一个具体享元对象时，享元工厂角色会检查池中是否已存在符合要求的享元对象。若有则直接返回该享元对象给客户端，否则就创建一个享元对象返回给客户端并存储到享元池中。

本节通过一个简单示例，展示享元模式的实现。示例代码如下：

// Flyweight接口 //
public interface IShape {
    void draw();
}

// ConcreteFlyweight类 //
public class Circle implements IShape {
    private String color;
    private int radius;

    public Circle(String color) { this.color = color; }         // 内部状态color作为参数传入构造方法
    public void setRadius(int radius) { this.radius = radius; } // 外部状态radius作为参数传入成员方法

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Draw a circle[Color: " + color + ", Radius: " + radius + "]"); }
}

// 享元工厂 //
public class ShapeFactory {
    private static final Map<String, IShape> CIRCLE_POOL = new HashMap<>(); // 享元池单例

    public static IShape getCircle(String color) {
        Circle circle = (Circle) CIRCLE_POOL.get(color); // 先从享元池中查找对象
        if (circle == null) {
            circle = new Circle(color);      // 若对象不存在，则创建一个新的Flyweight对象
            CIRCLE_POOL.put(color, circle);  // 将新创建的Flyweight对象添加到享元池中
            System.out.println("###Create a new circle in " + color);
        }
        return circle;
    }
}
// 验证代码 //
public class FlyweightDemo {
    private static final String[] COLORS = {"Red", "Green", "Blue", "White", "Black"};
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i < 10; ++i) {
            Circle circle = (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
            circle.setRadius(getRandomRadius());
            circle.draw();
        }
    }

    private static String getRandomColor() { return COLORS[(int)(Math.random() * COLORS.length)]; }
    private static int getRandomRadius() { return (int)(Math.random() * 100); }
}

执行结果如下：

###Create a new circle in White
Draw a circle[Color: White, Radius: 82]
Draw a circle[Color: White, Radius: 72]
###Create a new circle in Red
Draw a circle[Color: Red, Radius: 76]
###Create a new circle in Blue
Draw a circle[Color: Blue, Radius: 11]
Draw a circle[Color: Red, Radius: 78]
Draw a circle[Color: Blue, Radius: 74]
Draw a circle[Color: Red, Radius: 73]
Draw a circle[Color: White, Radius: 98]
###Create a new circle in Black
Draw a circle[Color: Black, Radius: 96]
Draw a circle[Color: Red, Radius: 52]

可见，循环10次实际只创建了四个Circle对象。此外，虽然只有一个红色(内部状态)的Circle对象，但它可以具有不同的半径(外部状态)。

模式优缺点

享元模式的优点如下：

• 减少对象的创建，相同或相似对象在内存中只保存一份，从而降低内存消耗。
• 外部状态相对独立且不影响内部状态，使得享元对象可在不同环境中共享。

缺点如下：

• 为了使对象可以共享，需要分离出内部状态和外部状态，使得系统更加复杂。
• 将享元对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间稍微变长。

业界实践

• String常量池
• 数据库数据池