[设计模式/Java] 设计模式之享元模式【21】

概述：享元模式 := Flyweight Pattern ∈ 结构型模式

模式定义

  • 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。

  • 场景引入

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。

  • 模式意图
  • 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。

模式的组成

  • 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。

适用场景

  • 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。

模式的实现要点

  • step1 定义享元接口：创建一个享元接口，规定可以共享的状态。

  • step2 创建具体享元类：实现该接口的具体类，包含内部状态。

  • step3 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。

  • 关键点

  • HashMap：使用哈希表存储已经创建的享元对象，以便快速检索。

模式特点

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。
  • 提高程序效率：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。

  • 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。

案例实践

CASE Java中的String对象

  • 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。
  • Java中的Integer 类型：对常用的整数值（-127~128）进行了缓存，避免了每次创建新的 Integer 对象，提高了系统的性能。

CASE 数据库连接池

  • 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。

CASE 线程池

  • 线程池：通过享元模式将线程池中创建的线程对象进行复用，减少了线程的创建和销毁，从而提高系统的性能。

CASE Shape / ShapeFactory

场景描述

  • 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 Circle 的 HashMap，其中key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。

Shape

public interface Shape {
   void draw();
}

Circle implements Shape

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);
   }
}

ShapeFactory

创建一个工厂，生成基于给定信息的实体类的对象。

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;
   }
}

FlyweightPatternDemo

  • 使用该工厂，通过传递颜色信息来获取实体类的对象。
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);
   }
}

out

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

CASE Bike / BikeFactory

场景引入

抽象享元类（FlyWeight） - Bike

/**
 * @author Created by njy on 2023/6/21
 * 1.抽象享元类（FlyWeight）：单车
 * 单车有很多共同的信息比如：价格、颜色
 */
public abstract class Bike {
 
    protected String color;
 
    protected int price;
 
    public Bike(String color,int price){
        this.color=color;
        this.price=price;
    }
 
    //展示单车信息
    public abstract void show();
 
}

具体享元类（ConcreteFlyWeight）: Mobike / MTBike

  • Mobike
/**
 * @author Created by njy on 2023/6/21
 * 2.具体享元类（ConcreteFlyWeight）：摩拜单车
 */
public class Mobike extends Bike {
 
    public Mobike(String color,int price){
        super(color,price);
    }
 
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("生产成功：摩拜单车——"+color+","+"起步价"+price+"元");
    }
}
  • MTBike
/**
 * @author Created by njy on 2023/6/21
 * 2.具体享元类（ConcreteFlyWeight）：美团单车
 */
public class MTBike extends Bike {
 
    public MTBike(String color,int price){
        super(color,price);
    }
 
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("生产成功：小黄车——"+color+","+"起步价"+price+"元");
    }
}

享元工厂（FlyWeightFactory） - BikeFactory

/**
 * @author Created by njy on 2023/6/21
 * 3.享元工厂类（FlyWeightFactory）：单车工厂
 */
public class BikeFactory {
    //map缓存
    public static Map<String,Bike> bikeMap=new HashMap<>();
    public static Bike getBike(String color,String type){
        String key=color+"_"+type;
        if(bikeMap.containsKey(key)){
            //如果已经有该颜色和类型的单车，直接返回
            return bikeMap.get(key);
        }else {
            Bike bike=null;
            //没有，创建并放入缓存
            if("mobike".equals(type)) {
                bike=new Mobike(color,1);
            } else if ("MT".equals(type)) {
                bike=new MTBike(color,2);
            } else {
                System.out.println("抛异常！没有该类型的单车");
            }
            //放入缓存
            bikeMap.put(key,bike);
            return bike;
        }
    }
}

Client : testFlyWeight

/**
 * @author Created by njy on 2023/6/21
 * 享元模式测试类
 */
@SpringBootTest
public class TestFlyweight {
    @Test
    void testFlyweight(){
        //摩拜单车
        Bike bike1 = BikeFactory.getBike("黑色", "mobike");
        //美团单车
        Bike bike2 = BikeFactory.getBike("黑色", "MT");
        bike1.show();
        bike2.show();
        System.out.println("总共有"+BikeFactory.bikeMap.size()+"种类型单车");
 
        System.out.println("--------创建相同类型和颜色的单车----------");
        Bike bike3 = BikeFactory.getBike("黑色", "mobike");
        bike3.show();
        //再次看有多少类型
        System.out.println("总共有"+BikeFactory.bikeMap.size()+"种类型单车");
    }
}

Y 推荐文献

X 参考文献

posted @ 2025-04-22 12:12  千千寰宇  阅读(77)  评论(0)    收藏  举报