我所知道设计模式之享元模式

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前言介绍


接下里介绍的是Java 的设计模式之一:享元模式

我们还是以一个问题进行展开,引入享元模式

现在有小型的外包项目,给客户 A 做一个产品展示网站

客户 A 的朋友们感觉效果不错,也希望做这样的产品展示网站

但是要求都有些不同:

1.朋友 B 要求以新闻的形式发布
2.朋友 C 要求以博客的形式发布
3.朋友 D 要求以微信公众号的形式发布

那么你该怎么解决呢?

一、传统方式解决问题

最简单的解决方式是:

1.直接复制粘贴一份,然后根据客户不同要求,进行定制修改

2.将网站复制到不同的服务器上,进行定制改进

image.png

传统方案解决网站展现项目-问题分析

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

对于代码来说,由于是一份实例,维护和扩展都更加容易

上面的解决思路就可以使用 享元模式 来解决

二、什么是享元模式

享元模式(Flyweight Pattern)也叫 蝇量模式: 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象

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

比如说我们现在有一个棋盘,有四个用户、A、B、C、D

image.png

如果每个用户观看棋盘,我都返回一个棋盘

假若一个棋盘有三百颗棋子,那么就有一千二百个棋子消耗,是不是很浪费

如果说当A用户去观看棋盘的时候,进行缓存 那么B、C、D直接返回即可

是不是就可以避免相似重复对象造成的内存浪费问题

享元模式原理类图分析

image.png

FlyWeight: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

ConcreteFlyWeight: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。

FlyWeightFactory:享元工厂类,用于构建一个池容器(集合), 同时提供从池中获取对象方法

什么是内部状态和外部状态

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

比如围棋、五子棋、跳棋,它们都有大量的棋子对象,围棋和五子棋只有黑白两色,跳棋颜色多一点,所以棋子颜色就是棋子的内部状态

而各个棋子之间的差别就是位置的不同,当我们落子后,落子颜色是定的,但位置是变化的,所以棋子坐标就是棋子的外部状态

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

示例说明

举个例子:围棋理论上有 361 个空位可以放棋子,每盘棋有可能有两三百个棋子对象产生

因为内存空间有限,一台服务器很难支持更多的玩家玩围棋游戏

如果用享元模式来处理棋子,那么棋子对象就可以减少到只有两个实例,这样就很好的解决了对象的开销问题

三、使用享元模式解决问题

image.png

那么根据我们的思路类图,先创建抽象类WebSite

abstract class WebSite {
    //抽象方法
    public abstract void use();
}

接下来我们创建不同网站的实现类继承抽象类ConcreteWebSite

//具体网站
class ConcreteWebSite extends WebSite {

    //共享的部分,内部状态
    private String type = ""; //网站发布的形式(类型)

    //构造器
    public ConcreteWebSite(String type) {
        this.type = type;
    }

    @Override
    public void use() {
        System.out.println("网站的发布形式为:" + type + "");
    }
}

接下来我们创建工厂,根据需要压缩返回一个具体的网站

// 网站工厂类,根据需要返回压一个网站
class WebSiteFactory {

    //集合, 充当池的作用
    private HashMap<String, ConcreteWebSite> pool = new HashMap<>();

    //根据网站的类型,返回一个网站, 如果没有就创建一个网站,并放入到池中,并返回
    public WebSite getWebSiteCategory(String type) {
        if (!pool.containsKey(type)) {
            //没有则就创建一个网站,并放入到池中
            pool.put(type, new ConcreteWebSite(type));
        }
        return (WebSite) pool.get(type);
    }

    //获取网站分类的总数 (池中有多少个网站类型)
    public int getWebSiteCount() {
        return pool.size();
    }
}

接下来我们使用demo体会一下不同类型返回不同的网站

public static void main(String[] args) {

        // 创建一个工厂类
        WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

        // 客户要一个以新闻形式发布的网站
        WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");

        webSite1.use();

        // 客户要一个以博客形式发布的网站
        WebSite webSite2 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite2.use();
        
        System.out.println("网站的分类共=" + factory.getWebSiteCount());
    }
}

运行结果如下:
网站的发布形式为:新闻
网站的发布形式为:博客
网站的分类共=2

但是我们有没有考虑到一个问题,这个网站具体是哪些用户在使用?

我们的内部状态 类型是有了,但是外部状态还未有,接下来我们创建

image.png

class User {

    private String name;

    public User(){}

    public User(String name) {this.name = name;}

    public String getName() {return name; }

    public void setName(String name) {this.name = name;}
}

抽象类方法WebSite 添加多一个用户使用网站的方法

abstract class WebSite {
    //抽象方法
    public abstract void use(User user);
}

给予我们网站添加用户使用方法

//具体网站
class ConcreteWebSite extends WebSite {

    //省略其他关键性代码....
    @Override
    public void use(User user) {
        System.out.println("网站的发布形式为:" + type + " 在使用中 .. 使用者是" + user.getName());
    }
}

接下来我们再使用demo 就可以看到外部类 具体使用者了

public static void main(String[] args) {

    // 创建一个工厂类
    WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

    // 客户要一个以新闻形式发布的网站
    WebSite webSite3 = factory.getWebSiteCategory("新闻");
    webSite3.use(new User("smith"));

    // 客户要一个以博客形式发布的网站
    WebSite webSite4 = factory.getWebSiteCategory("博客");
    webSite4.use(new User("king"));

    System.out.println("网站的分类共=" + factory.getWebSiteCount());
}

运行结果如下:
网站的发布形式为:新闻 在使用中 .. 使用者是smith
网站的发布形式为:博客 在使用中 .. 使用者是king
网站的分类共=2

四、JDK中享元模式源码分析

接下来我们使用其中分析JDK Integer 中的享元模式

请先看一个示例,我们来看看demo

public static void main(String[] args) {

    Integer x = Integer.valueOf(127);
    Integer y = new Integer(127);
    Integer z = Integer.valueOf(127);
    Integer w = new Integer(127);

    System.out.println(x.equals(y));
    System.out.println(x == y );
    System.out.println(x == z );
    System.out.println(w == x );
    System.out.println(w == y );
}

那么输出结果会是什么呢?

true
false
true
false
false

那为什么会造成这样的结果呢?为什么 x 与 z 为true 呢?

先让我们看看Integer valueOf 这个方法,进行分析把

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {

    
    @Native public static final int   MIN_VALUE = 0x80000000;
    
    @Native public static final int   MAX_VALUE = 0x7fffffff;
    
    //省略其他关键性代码.....
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
}

是否与我们之前的工厂很相似呢?

如果i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high 则cache返回

如果不在这个范围以内,那么则new 返回

那么IntegerCache.low 是多少呢?IntegerCache.high又是多少呢?

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.
            }
        }
        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() {}
}

那么我们根据源码就会发现,这个范围就是 - 127 至 128

而我们的x = 127,z = 127 符合这个范围,从同一个地方返回所以为true

public static void main(String[] args) {

    Integer x = Integer.valueOf(200);
    Integer z = Integer.valueOf(200);

    System.out.println(x == z );
}

那么这样的情况下,会返回什么呢?是true 还是false?

小结

在valueOf 方法中,先判断值是否在 IntegerCache 中,如果不在,就创建新的 Integer(new), 否则,就直接从 缓存池返回

valueOf 方法,就使用到享元模式

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

五、享元模式的注意事项和细节

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

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

享元模式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

参考资料


尚硅谷:设计模式(韩顺平老师):享元模式

Refactoring.Guru:《深入设计模式》

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