设计模式【10】-- 顺便看看享元模式

2023-12-24 23:12:40

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设计模式【10】-- 顺便看看享元模式

开局还是那种图，各位客官往下看...

享元模式是什么？

享元模式（FlyWeight），是结构型模式的一种，主要是为了减少创建对象的数量，减少内存占用以及提高性能。说到这里，不知道你是否会想到池技术，比如String 常量池，数据库连接池，缓冲池等等，是的，这些都应用了享元模式。

比如，有一些对象，创建时候需要资源比较多，创建成本比较高，内存开销比较大，如果我们一直创建，机器吃不消，那么我们就想到了池化技术，把创建好的对象放在里面，需要时，去池子里面取就可以了，也就是大家共享了池子里面的对象，这就是共享。

听名字，就很共享单车：

设计模式【10】-- 顺便看看享元模式

享元模式的特点

一般而言，享元对象需要在不同的场景下使用，那状态如果可随意修改，就容易造成混乱，出错的概率大大增加。但是如果所有的内部属性都是不可修改的，貌似也不是十分灵活，因此为了在稳定和灵活性之间找到平衡点，一般的享元对象，都会将内部属性划分为两大类：

  • 内部状态：不可变，且在多个地方*享，重复使用的部分，只能通过构造函数设值
  • 外部状态：每个对象，在不同场景下，可能存在不一样的状态，可以修改
  • 单纯享元模式：在单纯享元模式中，所有的具体享元类都是可以共享的，不存在非共享具体享元类。
  • 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，还可以形成复合享元对象，这样的复合享元对象本身不能共享，但是它们可以分解成单纯享元对象，而后者则可以共享

这里我们说的是单纯享元模式，享元模式一般会有几种对象：

  • 享元接口或则抽象类（Flyweight）:在接口或者抽象类中声明定义了公共的方法，可以对外提供部分能力，或者按需提供数据。
  • 具体的享元实现类（ConcreteFlyweight）:实现了抽象享元类，在内部有一部分数据是不可变的，实现接口的时候，会对外提供一部分能力或者数据。
  • 享元工厂(FlyweightFactory): 享元工厂主要是用来创建和管理享元对象的，将各种类型的享元对象放到一个池子里，一般是键值对的形式存在，当然也可以是其他的类型，如果初次获取一个对象，需要先创建，如果池子里已经有该对象，那么就可以直接返回了。

实现

举个小栗子，比如我们出去玩耍需要购买飞机票，假设一架航班的唯一性是与航班号，出发时间，到达时间相关，用户喜欢通过航班号，来查询航班的相关信息，首先我们需要创建航班一个接口：

public interface IFlight {
    void info();
}

具体的航班类Flight:

public class Flight implements IFlight {

    private String flightNo;

    private String start;

    private String end;

    private boolean isDelay;

    public Flight(String flightNo, String start, String end) {
        this.flightNo = flightNo;
        this.start = start;
        this.end = end;
        isDelay = Math.random() > 0.5;
    }

    @Override
    public void info() {
        System.out.println(String.format("从[%s]到[%s]的航班[%s]: %s ",
                start, end, flightNo, isDelay ? "延误起飞" : "正常起飞"));
    }
}

航班搜索工厂类FlightSearchFactory：

public class FlightSearchFactory {
    public static IFlight searchFlight(String flightNo,String start,String end){
        return new Flight(flightNo,start,end);
    }
}

模拟客户端请求：

public class ClientTest {
    public static void main(String[] args) {
        IFlight flight = FlightSearchFactory.searchFlight("C9876","北京","上海");
        flight.info();
    }
}

我们可以看到打印出了以下信息：

从[北京]到[上海]的航班[C9876]: 延误起飞

但是，上面的有一个问题，每次来访问，都会创建一个对象，坐同一个航班的人，理论上查询的是相同的数据才对，这部分其实可以共享的，复用来提高效率，何乐而不为呢？

怎么缓存呢？

我们一般用HashMap来缓存，只需要将唯一识别的key定义好即可：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class FlightSearchFactory {
    private static Map<String, IFlight> maps = new HashMap<>();

    public static IFlight searchFlight(String flightNo, String start, String end) {
        String key = getKey(flightNo, start, end);
        IFlight flight = maps.get(key);
        if (flight == null) {
            System.out.print("缓存中没有，需要重新构建：");
            flight = new Flight(flightNo, start, end);
            maps.put(key, flight);
        }else{
            System.out.print("从缓存中读取数据：");
        }
        return flight;
    }

    private static String getKey(String flightNo, String start, String end) {
        return String.format("%s_%s_%s", flightNo, start, end);
    }
}

测试代码：

public class ClientTest {
    public static void main(String[] args) {
        IFlight flight = FlightSearchFactory.searchFlight("C9876","北京","上海");
        flight.info();

        IFlight flight1 = FlightSearchFactory.searchFlight("C9876","北京","上海");
        flight1.info();

        IFlight flight2 = FlightSearchFactory.searchFlight("H1213","北京","广州");
        flight2.info();
    }
}

测试结果：

缓存中没有，需要重新构建：从[北京]到[上海]的航班[C9876]: 正常起飞 
从缓存中读取数据：从[北京]到[上海]的航班[C9876]: 正常起飞 
缓存中没有，需要重新构建：从[北京]到[广州]的航班[H1213]: 正常起飞

可以看到如果缓存里面有，那么就不会重新构建对象，可以达到共享对象的目的，我们平时在项目里面使用的各种连接池，比如Redis连接池，Mysql连接池等等，这些资源本质上都比较宝贵，我们可以共享。

JDK中Integer其实也用了缓存的技术，因为大家常用的都是较小的数值，所以默认Integer如果使用valuesOf(int i)方法获取，就会优先读取缓存内容：

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

我们可以看到如果在low 和high范围内的数据，就会从缓存里面获取，否则会直接新建一个对象，那么low和high的范围多大呢？

        static final int low = -128;
        static final int high;

high是动态变化的,但是high是有断言的，必须大于等于127:assert IntegerCache.high >= 127;,而范围可以从java.lang.Integer.IntegerCache.high这个配置项读取出来：

        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.
                }
            }
            high = h;

            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            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;
        }

测试一下：

public class IntegerTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 不相等
        Integer integer = Integer.valueOf(128);
        Integer integer1 = Integer.valueOf(128);
        System.out.println(integer == integer1);

        // 相等
        Integer integer2 = Integer.valueOf(127);
        Integer integer3 = Integer.valueOf(127);
        System.out.println(integer2 == integer3);

        // 相等
        Integer integer4 = Integer.valueOf(0);
        Integer integer5 = Integer.valueOf(0);
        System.out.println(integer4 == integer5);

        // 相等
        Integer integer6 = Integer.valueOf(-128);
        Integer integer7 = Integer.valueOf(-128);
        System.out.println(integer6 == integer7);

        // 不相等
        Integer integer8 = Integer.valueOf(-129);
        Integer integer9 = Integer.valueOf(-129);
        System.out.println(integer8 == integer9);
    }
}

从上面的结果可以看出实际上Integer从-128到127被缓存了，也验证了我们的结果，注意必须使用Integer.valueOf()这个办法，要是使用构造器new Integer()，创建出来必定是新的对象。

设计模式【10】-- 顺便看看享元模式

总结

  • 优点：如果有很多相似或者重复的对象，使用享元模式，可以节省空间
  • 缺点：如果重用很多，不同地方还做了特殊化处理，代码复杂度增加

设计模式其实是在软件工程的不断摸索中，总结出来的常用的一种设计思路，并不是非用不可，不是银弹，但是总有值得我们学习的地方，了解它这般设计的好处，不断的改进我们写代码，即使每次一点点改进。曾经听过一句话：看见别人写得不优雅的代码就有想重构它的冲动，可以多读读自己写的代码，然后写得更好（大致是这个意思）。共勉！

【作者简介】：
秦怀，公众号【秦怀杂货店】作者，个人网站：http://aphysia.cn，技术之路不在一时，山高水长，纵使缓慢，驰而不息。

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