11.java设计模式之享元模式

2023-01-04 12:00:47

基本需求：

  • 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，但是要求都有些不同
  • 每个客户要求发布的方式不一样，A要求以新闻的方式发布，B要求以博客的方式发布，C要求以公众号的方式发布，并且多个发布人可能选择用同一种方式发布

传统方案：

  • 直接复制A客户的网站，在其上按照B的要求修改，定制化，给每个网站都租用一个空间
  • 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
  • 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

基本介绍：

  • 享元模式（Flyweight）也叫'蝇量模式',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，有匹配的对象，则直接使用

  • 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象，主要解决：在有大量对象时，有可能会造成内存溢出，我们把其*同的部分抽象出来，如果有相同的业务请求，直接返回在内存中已有的对象，避免重新创建

  • 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

  • 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。不需总是创建新对象，可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率

  • 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

  • UML类图(原理)

    • 11.java设计模式之享元模式
    • 说明
      • FlyWeight 是抽象的享元角色, 他是产品的抽象类, 同时定义出对象的外部状态和内部状态的接口或实现
        • 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了，即将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
        • 例如：下五子棋，围棋等，使用的棋子就可以用享元模式定义，棋子的颜色就是内部状态（两种颜色不会改变），棋子在棋盘的位置随选手的落子而决定就是外部状态；
          • 可在棋子类 创建两个属性 一个颜色，一个位置，落子时每次在工厂获取的都是同一个对象，只不过位置属性的值不同而已，达到了这两个棋子对象的复用
      • 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
      • UnSharedConcreteFlyWeight 是不可共享的角色，一般不会出现在享元工厂（一般也不会出现）
      • FlyWeightFactory 享元工厂类，内部构建一个池容器(集合)，同时提供从池中获取对象方法

  • UML类图（案例）

    • 11.java设计模式之享元模式

    • 说明

      • WebSite有不同的发布状态，用type表示，也就是其内部状态，ConcreteWebSite为其实现类，具体的享元角色
      • User为外部状态，不同的User可以用相同的方式去发布WebSite
      • WebSiteFactory为工厂类，用于维护WebSite池

    • 代码实现

      • public abstract class WebSite {

   // 享元抽象类

   // 此属性为内部状态，发布的形式只有几种，新闻，博客，公众号
   protected String type;

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

   // 使用User类作为外部状态，不同的User可以发布同一形式的网站（实际使用的是同一WebSite对象）达到了对象的复用
   public abstract void use(User user);

}

// 具体的享元类
class ConcreteWebSite extends WebSite{

   // 具体的享元产品

   public ConcreteWebSite(String type) {
       super(type);
   }

   @Override
   public void use(User user) {
       System.out.println(user.getName() + "用" + this.type + "形式发布了网站");
   }

}

      • @Data
@AllArgsConstructor
public class User {

   // WebSite的外部状态
   private String name;

}

      • public class WebSiteFactory {

   // 享元工厂类，内部维护享元产品池

   private Map<String, WebSite> webSiteMap = new HashMap<>();

   public WebSite getWebSiteCategory(String type) {
       if (!webSiteMap.containsKey(type)) {
           // 池中没有，创建新的享元产品维护到池中，返回新创建的享元产品
           webSiteMap.put(type, new ConcreteWebSite(type));
       }
       return webSiteMap.get(type);
   }

   // 获取池中享元产品的数量
   public int getWebSiteCount() {
       return webSiteMap.size();
   }

}

      • public class Client {
   public static void main(String[] args) {
       WebSiteFactory webSiteFactory = new WebSiteFactory();
       WebSite webSite1 = webSiteFactory.getWebSiteCategory("新闻");
       webSite1.use(new User("张三"));
       WebSite webSite2 = webSiteFactory.getWebSiteCategory("博客");
       webSite2.use(new User("李四"));
       WebSite webSite3 = webSiteFactory.getWebSiteCategory("公众号");
       webSite3.use(new User("王五"));
       WebSite webSite4 = webSiteFactory.getWebSiteCategory("新闻");
       webSite4.use(new User("王五"));
       System.out.println("池中享元对象的数量为：" + webSiteFactory.getWebSiteCount()); // 3 个
       System.out.println(webSite1 == webSite4); // true 其实通过享元工厂获取的是同一个对象
   }
}

jdk源码：

  • 在jdk源码的Integer类中就使用到了享元模式，Integer.valueOf()方法，在-128-127之间返回的都是同一个Integer的缓存对象

  • public class Client {
   public static void main(String[] args) {
       // Integer类中就使用到了享元模式，Integer.valueOf()方法，在-128-127之间返回的都是同一个Integer的缓存对象
       // 如果使用 valueOf 方法得到一个 Integer 实例，范围在 -128 - 127 ，执行速度比 new 快
       Integer w = Integer.valueOf(127);
       Integer x = new Integer(127);
       Integer y = Integer.valueOf(127);
       Integer z = new Integer(127);
       System.out.println(w == x); // false
       System.out.println(w == y); // true
       System.out.println(x == z); // false new出来肯定不一样 在堆内存进行分配
   }
}

  • // 源码部分
public class Integer {
   
   ......
public static Integer valueOf(int i) {
       // 调用该方法在-128-127内就返回缓存对象，使用的享元模式
       if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
           return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
       return new Integer(i);
   }
   ......
       
   // 静态内部类 IntegerCache 
   private static class IntegerCache {
       static final int low = -128;
       static final int high;
       static final Integer cache[];

       static {
           // high value may be configured by property
           int h = 127;
           String integerCacheHighPropValue =
               sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
           if (integerCacheHighPropValue != null) {
               try {
                   int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                   i = Math.max(i, 127);
                   // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                   h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
               } catch( NumberFormatException nfe) {
                   // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
               }
           }
           // 为Integer.high赋值
           high = h;

           cache = new Integer[(high - low) + 1];
           int j = low;
           // 循环创建Integer对象，并放入缓冲池，此处缓冲池使用的是数组
           for(int k = 0; k < cache.length; k++)
               cache[k] = new Integer(j++);

           // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
           assert IntegerCache.high >= 127;
       }

       private IntegerCache() {}
   }
   
}

注意事项：

  • 在享元模式这样理解，“享”就表示共享，“元”表示对象系统中有大量对象，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
  • 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，大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率
  • 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
  • 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
  • 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
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