[设计模式/Java] 设计模式之享元模式【21】

宓爰爰 · 2025-6-1 00:00:36

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();
}

复制代码

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);
}
}

复制代码

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;
}
}

复制代码

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);
}
}

复制代码

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

复制代码

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();
}

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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");
}
}

复制代码

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");
}
}

复制代码

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;
}
}
}

复制代码

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");
}
}

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Y 推荐文献

设计模式之总述 - 博客园/千千寰宇

X 参考文献

设计模式第14讲——享元模式（Flyweight） - CSDN
享元模式 - 菜鸟教程

本文作者：       千千寰宇
本文链接：       https://www.cnblogs.com/johnnyzen
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