设计模式学习12(Java实现)——享元模式

写在前面

记录学习设计模式的笔记
提高对设计模式的灵活运用

学习地址

https://www.bilibili.com/vide...

参考文章

http://c.biancheng.net/view/1...

项目源码
https://gitee.com/zhuang-kang/DesignPattern

14，享元模式

14.1 享元模式的定义和特点

享元（Flyweight）模式的定义：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用,它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

享元模式的主要优点是：相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。

其主要缺点是：

为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。
读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

14.2 享元模式的结构与实现

14.2.1 享元模式的结构

享元（Flyweight ）模式中存在以下两种状态：

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。享元模式的实现要领就是区分应用中的这两种状态，并将外部状态外部化。

享元模式的主要有以下角色：

抽象享元角色（Flyweight）：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。

14.2.1代码实现

关系类图

IBox 定义不同的形状

package com.zhuang.flyweight;

/**
 * @Classname IBox
 * @Description I图形类(具体享元角色)
 * @Date 2021/3/25 15:33
 * @Created by dell
 */

public class IBox extends AbstractBox {

    @Override
    public String getShape() {
        return "I";
    }

}

LBox 定义不同的形状

package com.zhuang.flyweight;

/**
 * @Classname IBox
 * @Description L图形类(具体享元角色)
 * @Date 2021/3/25 15:33
 * @Created by dell
 */

public class LBox extends AbstractBox {

    @Override
    public String getShape() {
        return "L";
    }

}

OBox 定义不同的形状

package com.zhuang.flyweight;

/**
 * @Classname IBox
 * @Description O图形类(具体享元角色)
 * @Date 2021/3/25 15:33
 * @Created by dell
 */

public class OBox extends AbstractBox {

    @Override
    public String getShape() {
        return "O";
    }

}

BoxFactory 提供了一个工厂类（BoxFactory），用来管理享元对象（也就是AbstractBox子类对象），该工厂类对象只需要一个，所以可以使用单例模式。并给工厂类提供一个获取形状的方法

package com.zhuang.flyweight;

import java.util.HashMap;

/**
 * @Classname BoxFactory
 * @Description 工厂类 将类设计为单例模式
 * @Date 2021/3/25 15:33
 * @Created by dell
 */

public class BoxFactory {
    private HashMap<String, AbstractBox> map;

    //在构造方法中初始化
    private BoxFactory() {
        map = new HashMap<String, AbstractBox>();
        IBox iBox = new IBox();
        LBox lBox = new LBox();
        OBox oBox = new OBox();
        map.put("I", iBox);
        map.put("L", lBox);
        map.put("O", oBox);
    }

    //声明一个方法获取工厂
    public static BoxFactory getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory();
    }

    //根据图形名称获取图形对象
    public AbstractBox getShape(String name) {
        return map.get(name);
    }
}

AbstractBox 对这些形状向上抽取出AbstractBox，用来定义共性的属性和行为

package com.zhuang.flyweight;

/**
 * @Classname AbstractBox
 * @Description 抽象享元角色 抽象类
 * @Date 2021/3/25 15:32
 * @Created by dell
 */

public abstract class AbstractBox {
    //获取图形的方法
    public abstract String getShape();

    //显示图形及颜色
    public void display(String color) {
        System.out.println("方块形状：" + this.getShape() + "颜色：" + color);
    }

}

14.3 享元模式的应用场景

当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多出需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，降低大量内存空间的消耗。

享元模式其实是工厂方法模式的一个改进机制，享元模式同样要求创建一个或一组对象，并且就是通过工厂方法模式生成对象的，只不过享元模式为工厂方法模式增加了缓存这一功能。

前面分析了享元模式的结构与特点，下面分析它适用的应用场景。享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式。

系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源。
大部分的对象可以按照内部状态进行分组，且可将不同部分外部化，这样每一个组只需保存一个内部状态。
由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式

14.4 JDK源码解析

Integer类使用了享元模式。我们先看下面的例子：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;

        System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象？" + (i1 == i2));

        Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;

        System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象？" + (i3 == i4));
    }
}

结果是 true 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());
    }
}

上面代码可以看到，直接给Integer类型的变量赋值基本数据类型数据的操作底层使用的是 valueOf() ，所以只需要看该方法即可

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_VALUE
                    h = 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 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。

写在最后

如果我的文章对你有用，请给我点个👍，感谢你😊！
有问题，欢迎在评论区指出！💪

设计模式学习12(Java实现)——享元模式

14，享元模式

14.1 享元模式的定义和特点

14.2 享元模式的结构与实现

14.2.1 享元模式的结构

14.2.1代码实现

14.3 享元模式的应用场景

14.4 JDK源码解析

康小庄

引用和评论

Git常用命令速查表

Java8的新特性

Java11的新特性

Java5的新特性

Java9的新特性

Java13的新特性

Java7的新特性