軟件設計模式學習（十五）享元模式

當系統中存在大量相同或類似的對象時，享元模式是一種較好的解決方案，它經過共享技術實現相同或類似的細粒度對象的複用，從而節約內存空間。享元模式提供了一個享元池用於存儲已經建立好的享元對象，並經過享元工廠類將享元對象提供給客戶端使用。

模式動機

使用面向對象技術開發時，不少狀況下須要在系統中增長類和對象的個數，而且這些對象有些是相同或類似的。當對象太多時，將致使運行代價太高，性能降低等問題。爲了不繫統中出現大量相同或類似的對象，享元模式經過共享技術實現相同或類似對象的重用，相同的對象都指向一個實例，存儲這個實例的對象稱爲享元池。

模式設計

系統中有些對象並不徹底相同，而只是類似，所以須要先找出這些對象的共同點，在享元類中封裝這些共同的內容。不一樣的內容能夠經過外部應用程序來設置，而不進行共享，在享元模式中能夠共享的相同內容稱爲內部狀態，而那些須要外部環境設置的不能共享的內容稱爲外部狀態。

在享元模式中一般會出現工廠模式，須要建立一個享元工廠來維護一個享元池，用於存儲具備相同內部狀態的享元對象。實際使用中，可以共享的內部狀態是有限的，所以享元對象通常都設計爲較小的對象，它所包含的內部狀態較少，這種狀態通常稱爲細粒度對象。享元模式的目的就是使用共享技術來實現大量細粒度對象的複用。

模式定義

運用共享技術有效地支持大量細粒度對象的複用。系統只使用少許的對象，而這些對象都很類似，狀態變化很小，能夠實現對象的屢次複用。因爲享元模式要求可以共享的對象必須是細粒度對象，所以又稱爲輕量級模式。

模式結構

1. Flyweight（抽象享元類）

   抽象享元類聲明是一個接口，經過它能夠接受並做用於外部狀態。在抽象享元類定義了具體享元類公共的方法，這些方法能夠向外界提供享元對象的內部數據（內部狀態），同時也能夠經過這些方法來設置外部數據（外部狀態）

2. ConcreteFlyweight（具體享元類）

   具體享元類實現了抽象享元接口，保存了內部狀態，具體享元對象是能夠共享的。能夠結合單例模式來設計享元具體類，爲每個具體享元類提供惟一的享元對象。

3. UnsharedConcreteFlyweight（非共享具體享元類）

   不能被共享的抽象享元類的子類被設計爲非共享具體享元類。當須要一個非共享具體享元類的對象時能夠直接經過實例化建立。在某些享元模式的層次結構中，非共享具體享元對象還能夠將具體享元對象做爲子節點。

4. FlyweightFactory（享元工廠類）

   享元工廠類用於建立並管理享元對象，它針對抽象享元類編程，將各類類型的具體享元對象存儲在一個享元池中。當用戶請求一個具體享元對象時，享元工廠提供一個存儲在享元池已建立的實例或者建立一個實例，返回該新建立的實例並將其存儲在享元池中。

模式分析

享元模式的核心在於享元工廠類，享元工廠類的做用在於提供一個用於存儲享元對象的享元池。典型的享元工廠類代碼以下：

public class FlyweightFactory {

    private HashMap flyweights = new HashMap();

    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        if (flyweights.containsKey(key)) {
            return (Flyweight) flyweights.get(key);
        } else {
            Flyweight fw = new ConcreteFlyweight();
            flyweights.put(key, fw);
            return fw;
        } 
    }
}

享元對象能作到共享的關鍵是區份內部狀態（internal state）和外部狀態（external state）。下面簡單對享元的內部狀態和外部狀態進行分析：

1. 內部狀態是存儲在享元對象內部而且不會隨環境改變而改變的狀態，所以內部狀態能夠共享。
2. 外部狀態是隨環境改變而改變的、不可共享的狀態。享元對象的外部狀態必須由客戶端保存，並在享元對象被建立以後，在須要使用時再傳入到享元對象內部。

典型的享元類代碼以下：

public class Flyweight {

    private String intrinsicState;

    public Flyweight(String intrinsicState) {
        this.intrinsicState = intrinsicState;
    }

    public void operation(String extrinsicState) {
        ...
    }
}

實例之共享網絡設備

不少網絡設備都是支持共享的，如交換機、集線器等，多臺計算機終端能夠連接同一臺網絡設備，並經過該網絡設備進行數據轉換。可是分配給每個終端計算機的端口是不一樣的，能夠將端口從網絡設備中抽取出來做爲外部狀態，須要時再設置。

1. 抽象享元類 NetworkDevices

   public interface NetworkDevice {
   
       public String getType();
       public void use(Port port);	// 用於設置外部狀態
   }

2. 具體享元類 Switch

   public class Switch implements NetworkDevice {
   
       private String type;
   
       public Switch(String type) {
           this.type = type;
       }
   
       public String getType() {
           return type;
       }
   
       public void use(Port port) {
           System.out.println("Linked by switch, type is" + this.type + ",port is" + port.getPort());
       }
   }

3. 具體享元類 Hub

   public class Hub implements NetworkDevice {
   
       private String type;
   
       public Hub(String type) {
   
           this.type = type;
       }
   
       public String getType() {
           return type;
       }
   
       public void use(Port port) {
           System.out.println("Linked by Hub, type is" + this.type + ",port is" + port.getPort());
       }
   }

4. 端口類 Port

   public class Port {
   
       String port;
   
       public Port(String port) {
           this.port = port;
       }
   
       public String getPort() {
           return port;
       }
   
       public void setPort(String port) {
           this.port = port;
       }
   }

5. 享元工廠 DeviceFactory

   public class DeviceFactory {
   
       private List<NetworkDevice> devices = new ArrayList<NetworkDevice>();
       private int totalTerminal = 0;
   
       public DeviceFactory() {
   
           NetworkDevice nd1 = new Switch("Cisco-WS-C2950-24");
           devices.add(nd1);
           NetworkDevice nd2 = new Hub("TP-LINK-HF8M");
           devices.add(nd2);
       }
   
       public NetworkDevice getNetworkDevice(String type) {
   
           if (type.equalsIgnoreCase("cisco")) {
               totalTerminal++;
               return devices.get(0);
           } else if (type.equalsIgnoreCase("tp")) {
               totalTerminal++;
               return devices.get(1);
           } else {
               return null;
           }
       }
   
       public int getTotalDevice() {
           return devices.size();
       }
   
       public int getTotalTerminal() {
           return totalTerminal;
       }
   }

6. 客戶測試類 Client

   public class Client {
   
       public static void main(String[] args) {
   
           DeviceFactory df = new DeviceFactory();
   
           NetworkDevice nd1 = df.getNetworkDevice("cisco");
           nd1.use(new Port("1000"));
   
           NetworkDevice nd2 = df.getNetworkDevice("cisco");
           nd2.use(new Port("1001"));
   
           NetworkDevice nd3 = df.getNetworkDevice("cisco");
           nd3.use(new Port("1002"));
   
           NetworkDevice nd4 = df.getNetworkDevice("tp");
           nd4.use(new Port("1003"));
   
           NetworkDevice nd5 = df.getNetworkDevice("tp");
           nd5.use(new Port("1004"));
   
           System.out.println("Total Device: " + df.getTotalDevice());
           System.out.println("Total Terminal: " + df.getTotalTerminal());
       }
   }

在客戶端代碼中，在調用享元對象的 use() 方法時，傳入了一個 Port 類型對象，在該對象中封裝了端口號，做爲共享網絡設備的外部狀態，同一個網絡設備具備多個不一樣的端口號。

從運行結果能夠得知，在調用享元對象的 use() 方法時，因爲設置了不一樣的端口號，所以相同的享元對象雖然具備相同的內部狀態 type，可是它們的外部狀態 port 不一樣。

模式優缺點

優勢以下：

1. 極大減小內存中對象的數量
2. 享元模式的外部狀態相對獨立，不會影響其內部狀態，所以享元對象能夠在不一樣的環境中被共享。

缺點以下：

1. 享元模式是系統更加複雜，須要分離出內部狀態和外部狀態。
2. 讀取外部狀態會使運行時間變長。

模式適用環境

如下狀況可使用享元模式：

1. 一個系統有大量相同或類似對象，這類對象的大量使用形成內存的大量耗費
2. 對象的大部分狀態均可外部化，能夠將這些外部狀態傳入對象中。
3. 維護享元池須要耗費資源，所以應當在屢次重複使用享元對象時才值得使用享元模式

單純享元模式

即全部抽象享元類的子類均可以共享，不存在非共享具體享元類

複合享元模式

將單純享元模式與組合模式加以組合，能夠造成複合享元對象。這樣的複合享元對象自己不能共享，但它們能夠分解成單純享元對象，然後者能夠共享。經過複合享元模式，能夠確保複合享元類 CompositeConcreteFlyweight 中所包含的每一個單純享元類 ConcreteFlyweight 都具備相同的外部狀態，而這些單純享元的內部狀態每每不一樣。