Java設計模式：Flyweight(享元)模式

概念定義

享元(Flyweight)模式運用共享技術高效地支持大量細粒度對象的複用。

當系統中存在大量類似或相同的對象時，有可能會形成內存溢出等問題。享元模式嘗試重用現有的同類對象，若是未找到匹配的對象則建立新對象，從而減小系統中重複建立對象實例的性能和內存消耗。

享元模式將對象的信息分爲兩個部分：內部狀態(Internal State)和外部狀態(External State)。內部狀態是對象可共享出來的信息，存儲在享元對象內部而且不會隨環境改變而改變。外部狀態是隨環境改變而改變的、不可共享的狀態，必須由客戶端保存，並在享元對象建立後在須要使用時再傳入到享元對象內部。

應用場景

• 系統中存在大量相同或類似對象
• 這些對象能夠按照內部狀態分爲不少組，每組對象均可用一個對象來代替

示例代碼

享元模式包含以下角色：

• 抽象享元(Flyweight) ：一般是接口或抽象類，規定全部具體享元角色須要實現的方法(向外界返回內部狀態或接受外界傳入參數以改變外部狀態)。
• 具體享元(ConcreteFlyweight)：實現或繼承抽象享元角色，併爲內部狀態提供存儲空間。
• 享元工廠(FlyweightFactory)：建立並管理享元對象，將各類具體享元類存儲到一個享元池(或緩存)中。當客戶端請求一個具體享元對象時，享元工廠角色會檢查池中是否已存在符合要求的享元對象。如有則直接返回該享元對象給客戶端，不然就建立一個享元對象返回給客戶端並存儲到享元池中。

本節經過一個簡單示例，展現享元模式的實現。示例代碼以下：

// Flyweight接口 //
public interface IShape {
    void draw();
}

// ConcreteFlyweight類 //
public class Circle implements IShape {
    private String color;
    private int radius;

    public Circle(String color) { this.color = color; }         // 內部狀態color做爲參數傳入構造方法
    public void setRadius(int radius) { this.radius = radius; } // 外部狀態radius做爲參數傳入成員方法

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Draw a circle[Color: " + color + ", Radius: " + radius + "]"); }
}

// 享元工廠 //
public class ShapeFactory {
    private static final Map<String, IShape> CIRCLE_POOL = new HashMap<>(); // 享元池單例

    public static IShape getCircle(String color) {
        Circle circle = (Circle) CIRCLE_POOL.get(color); // 先從享元池中查找對象
        if (circle == null) {
            circle = new Circle(color);      // 若對象不存在，則建立一個新的Flyweight對象
            CIRCLE_POOL.put(color, circle);  // 將新建立的Flyweight對象添加到享元池中
            System.out.println("###Create a new circle in " + color);
        }
        return circle;
    }
}
// 驗證代碼 //
public class FlyweightDemo {
    private static final String[] COLORS = {"Red", "Green", "Blue", "White", "Black"};
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i < 10; ++i) {
            Circle circle = (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
            circle.setRadius(getRandomRadius());
            circle.draw();
        }
    }

    private static String getRandomColor() { return COLORS[(int)(Math.random() * COLORS.length)]; }
    private static int getRandomRadius() { return (int)(Math.random() * 100); }
}

執行結果以下：

###Create a new circle in White
Draw a circle[Color: White, Radius: 82]
Draw a circle[Color: White, Radius: 72]
###Create a new circle in Red
Draw a circle[Color: Red, Radius: 76]
###Create a new circle in Blue
Draw a circle[Color: Blue, Radius: 11]
Draw a circle[Color: Red, Radius: 78]
Draw a circle[Color: Blue, Radius: 74]
Draw a circle[Color: Red, Radius: 73]
Draw a circle[Color: White, Radius: 98]
###Create a new circle in Black
Draw a circle[Color: Black, Radius: 96]
Draw a circle[Color: Red, Radius: 52]

可見，循環10次實際只建立了四個Circle對象。此外，雖然只有一個紅色(內部狀態)的Circle對象，但它能夠具備不一樣的半徑(外部狀態)。

模式優缺點

享元模式的優勢以下：

• 減小對象的建立，相同或類似對象在內存中只保存一份，從而下降內存消耗。
• 外部狀態相對獨立且不影響內部狀態，使得享元對象可在不一樣環境中共享。

缺點以下：

• 爲了使對象能夠共享，須要分離出內部狀態和外部狀態，使得系統更加複雜。
• 將享元對象的狀態外部化，而讀取外部狀態使得運行時間稍微變長。

業界實踐

• String常量池
• 數據庫數據池