Java 设计模式——享元模式

目录

  • 1.概述
  • 2.结构
  • 3.实现
    • 3.1.抽象享元
    • 3.2.具体享元
    • 3.3.享元工厂
    • 3.4.测试
  • 4.优缺点
  • 5.使用场景
  • 6.JDK 源码解析——Integer 类

1.概述

(1)享元模式 (Flyweight Pattern) 是一种结构型设计模式,主要通过共享对象来减少系统中的对象数量,从而提高系统的性能。具体来说,享元模式是通过将对象分成内部状态外部状态两种形式来实现共享:

  • 内部状态:即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
  • 外部状态:指随环境改变而改变的不可以共享的部分。

通过将内部状态拆分出来,并且在一个对象池中创建对象时,判断是否已经存在需要创建的对象并返回已有对象,从而避免重复创建。

(2)这种模式适用于具有大量相近对象的场景,通过对象共享的方式可以大幅度减少系统的内存开销。在实际应用中,享元模式经常与其他设计模式相结合使用,以达到更好的效果。

2.结构

享元模式的主要有以下角色:

  • 抽象享元 (Flyweight) 角色:通常是一个接口或抽象类,在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法,这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据(内部状态),同时也可以通过这些方法来设置外部数据(外部状态)。
  • 具体享元 (Concrete Flyweight) 角色:它实现了抽象享元类,称为享元对象;在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类,为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。
  • 非享元 (Unsharable Flyweight) 角色:并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享,不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类;当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
  • 享元工厂 (Flyweight Factory) 角色:负责创建和管理享元角色。当客户对象请求一个享元对象时,享元工厂检査系统中是否存在符合要求的享元对象,如果存在则提供给客户;如果不存在的话,则创建一个新的享元对象。

3.实现

【例】俄罗斯方块:下面的图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块,如果在俄罗斯方块这个游戏中,每个不同的方块都是一个实例对象,这些对象就要占用很多的内存空间,下面利用享元模式进行实现。

在这里插入图片描述

类图如下:
在这里插入图片描述
具体实现代码如下:

3.1.抽象享元

AbstractBox.java

//抽象享元角色
public abstract class AbstractBox {//获取图形的方法public abstract String getShape();//显示图形以及颜色public void display(String color) {System.out.println("方块形状: " + getShape() + ": " + color);}
}

3.2.具体享元

IBox.java

public class IBox extends AbstractBox{@Overridepublic String getShape() {return "I";}
}

LBox.java

public class LBox extends AbstractBox{@Overridepublic String getShape() {return "L";}
}

OBox.java

public class OBox extends AbstractBox{@Overridepublic String getShape() {return "O";}
}

3.3.享元工厂

BoxFactory.java

//工厂类,将该类设计为单例
public class BoxFactory {private HashMap<String,AbstractBox> map;//在构造方法中进行初始化操作private BoxFactory(){map = new HashMap<String,AbstractBox>();map.put("I", new IBox());map.put("L", new LBox());map.put("O", new OBox());}private static BoxFactory factory = new BoxFactory();//提供一个方法获取该工厂类对象public static BoxFactory getInstance(){return factory;}//根据名称获取图形对象public AbstractBox getShape(String name){return map.get(name);}
}

3.4.测试

Client.java

public class Client {public static void main(String[] args) {//获取 I 图形对象AbstractBox box1 = BoxFactory.getInstance().getShape("I");box1.display("灰色");//获取 L 图形对象AbstractBox box2 = BoxFactory.getInstance().getShape("L");box2.display("红色");//获取 O 图形对象AbstractBox box3 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");box3.display("黑色");//获取 O 图形对象AbstractBox box4 = BoxFactory.getInstance().getShape("O");box4.display("蓝色");System.out.println("两次获取到的 O 图形对象是否为同一个对象?" + (box3 == box4));}
}

输出结果如下:

方块形状: I: 灰色
方块形状: L: 红色
方块形状: O: 黑色
方块形状: O: 蓝色
两次获取到的 O 图形对象是否为同一个对象?true

4.优缺点

(1)享元模式的优点:

  • 减少内存使用:通过共享对象,减少了系统中的对象数量,从而节省了内存空间。
  • 提升性能:由于减少了对象的数量,可以提高系统的性能。共享的对象可以在多个上下文中共享使用,避免了重复创建对象的开销。
  • 简化操作:对于具有相同或相似内部状态的对象,可以共享一个享元对象,简化了对对象的操作。

(2)享元模式的缺点:

  • 共享对象状态的限制:由于享元模式需要将对象的内部状态和外部状态分离,因此可能会引入一定的限制。对于外部状态的改变,需要在外部进行设置,可能会带来一些额外的复杂性。
  • 对象共享的线程安全问题:如果多个线程同时使用享元对象,需要保证线程安全,避免对共享对象进行修改导致其他线程的错误结果。
  • 可能引入过多的复杂性:在使用享元模式时需要权衡对象的共享和不共享状态,可能会增加代码的复杂性和维护成本。

5.使用场景

(1)享元模式通常适用于以下场景:

  • 需要大量创建相似的对象:例如,用于图形编辑器中的大量相似图形元素(如矩形、圆形等),可以创建一个共享的图形元素对象池,避免每次创建图形元素时都进行对象的初始化,从而提高性能和减少内存占用。
  • 对象可以被共享复用:当一个对象需要在多个地方进行共享使用时,使用享元模式可以避免重复创建对象的开销,并且提高系统性能。
  • 对象的大部分状态可以外部化:如果一个对象的大部分状态可以被外部计算或者设置,可以使用享元模式来将内部状态与外部状态分离,避免重复创建对象的开销。
  • 系统需要缓存对象的场景:当系统需要缓存一些对象,并根据需要重复使用这些对象时,使用享元模式可以减少内存的使用,提高系统的性能。

(2)总之,享元模式适用于需要大量创建相似对象的场景,并且这些对象可以被共享复用,可以提高系统的性能和减少内存占用。

6.JDK 源码解析——Integer 类

相关面试题可以参考下面的文章:
Java 基础面试题——基本数据类型与包装类

Integer 类使用了享元模式。先看下面的例子:

class IntegerDemo {public static void main(String[] args) {Integer i1 = 127;Integer i2 = 127;System.out.println("i1 和 i2 是否为同一个对象?" + (i1 == i2));Integer i3 = 128;Integer i4 = 128;System.out.println("i3 和 i4 是否为同一个对象?" + (i3 == i4));}
}

上述程序的运行结果如下:

i1 和 i2 是否为同一个对象?true
i3 和 i4 是否为同一个对象?false

为什么第一个输出语句输出的是 true,第二个输出语句输出的是 false?通过反编译软件进行反编译,代码如下:

public class Demo {public static void main(String[] args) {Integer i1 = Integer.valueOf((int)127);Integer i2 Integer.valueOf((int)127);System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i1\u548ci2\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i1 ==i2)).toString());Integer i3 = Integer.valueOf((int)128);Integer i4 = Integer.valueOf((int)128);System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i3\u548ci4\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i3 ==i4)).toString());}
}

从上面代码可以看出,直接给 Integer 类型的变量赋值的底层操作使用方法的是 valueOf(),所以只需看该方法的代码即可:

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {//...public static Integer valueOf(int i) {if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];return new Integer(i);}private static class IntegerCache {static final int low = -128;static final int high;static final Integer cache[];static {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_VALUEh = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);} catch( NumberFormatException nfe) {}}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;}private IntegerCache() {}}
}

可以看到 Integer 默认先创建并缓存 -128 ~ 127 之间数的 Integer 对象,当调用 valueOf() 方法时:

  • 如果参数在 -128 ~ 127 之间则计算下标并从缓存中返回;
  • 否则创建一个新的 Integer 对象。

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