一文搞懂設計模式—享元模式
當系統中存在大量相似對象時，每個對象都需要占用一定的內存空間，如果這些對象的大部分屬性是相同的，那么頻繁創建這些對象會導致內存消耗過大。享元模式將這些相同部分抽取出來作為共享的內部狀態，在需要時進行共享，從而減少內存占用。
享元模式（Flyweight Pattern）是一種結構型設計模式，旨在通過共享對象來最大化內存利用和性能提升，享元模式嘗試重用現有的同類對象，如果未找到匹配的對象，則創建新對象。
使用場景
- 當系統中存在大量相似對象且造成了內存浪費時，可以考慮使用享元模式。
- 對象的狀態可以外部化，并且剝離出共享部分和特有部分。
- 需要緩沖池的場景。
享元模式在對象池中的使用是一種常見的場景，通過對象池管理和復用對象實例，可以提高系統性能和資源利用率。對象池通常用于緩存、連接池等場景，其中對象的創建成本較高或者頻繁創建銷毀會影響性能時，對象池就顯得尤為重要。
在 Java 中，String 類的 intern() 方法是享元模式的一個應用。intern() 方法返回字符串對象的規范化表示形式，即返回字符串池中與調用字符串等效的字符串。如果字符串池中已經存在等效的字符串，則返回該字符串；否則，將此字符串添加到字符串池中，并返回新的字符串引用。
下面是一個示例代碼，演示了 String 類的 intern() 方法的應用：
public class StringInternExample {
public static void main(String[] args) {
String str1 = "hello";
String str2 = new String("hello");
String str3 = str2.intern();
System.out.println("str1 == str2: " + (str1 == str2)); // false
System.out.println("str1 == str3: " + (str1 == str3)); // true
}
}在上述示例中，str1 和 str2 是兩個不同的字符串對象，盡管它們的值相同，但由于 str2 使用了 new String() 構造方法創建，在堆內存中會生成一個新的對象。而通過調用 intern() 方法后，str3 返回的是字符串池中已存在的字符串對象，因此 str1 和 str3 指向的是同一個對象，所以輸出結果為 "str1 == str3: true"。這就是 intern() 方法的享元模式應用，避免了重復創建相同的字符串對象，節省了內存空間。
具體實現
享元模式包含以下幾個角色：
- 抽象享元（Flyweight）： 定義了享元對象的外部狀態和內部狀態，通過這個抽象類可以接受并作用于外部狀態。
- 具體享元（Concrete Flyweight）： 繼承了抽象享元類，包含內部狀態和外部狀態。具體享元對象需要確保內部狀態是可以共享的，同時提供操作外部狀態的方法。
- 非共享具體享元（Unshared Concrete Flyweight）： 與共享具體享元相對應，非共享具體享元是不能被共享的享元對象，通常是在具體享元中無法共享的情況下使用。
- 享元工廠（Flyweight Factory）： 負責創建和管理享元對象，在請求時返回已經創建的享元對象實例或者新創建一個享元對象。享元工廠通常會維護一個享元池用于存儲已經創建的享元對象。
在享元模式中，核心在于區分內部狀態和外部狀態。內部狀態是可以共享的部分，而外部狀態是對象的非共享部分。
- 內部狀態（Intrinsic State）： 內部狀態是享元對象固有的、可以共享的狀態，它存儲在享元對象內部并且不會隨著外部環境的變化而改變。內部狀態可以被多個享元對象共享，因此通常將其設計為不可變的屬性。內部狀態對于享元對象的具體實現是必需的，但不會隨著外部環境的變化而改變。
- 外部狀態（Extrinsic State）： 外部狀態是享元對象的可變部分，它隨著外部環境的變化而變化，需要通過客戶端傳入享元對象來進行處理。外部狀態并不影響享元對象的內部結構或行為，它只是作為享元對象行為的參數或上下文信息傳入。外部狀態具有固化特性，不應該隨內部狀態改變而改變，否則導致系統的邏輯混亂。
通過區分內部狀態和外部狀態，享元模式實現了將對象的共享部分和變化部分分離的目的，有效地減少了系統中重復對象的數量，提高了系統的性能和資源利用率。內部狀態是享元對象本身的屬性，而外部狀態則是根據具體情況動態變化的參數。
實現步驟和示例代碼如下：
1.首先定義抽象享元角色。
public abstract class Flyweight {
//內部狀態
private String intrinsic;
//外部狀態
protected final String extrinsic;
//要求享元角色必須接受外部狀態
public Flyweight(String extrinsic){
this.extrinsic = extrinsic;
}
//定義業務操作
public abstract void operate();
//內部狀態的getter/setter
public String getIntrinsic() {
return intrinsic;
}
public void setIntrinsic(String intrinsic) {
this.intrinsic = intrinsic;
}
}抽象享元角色一般為抽象類，它是描述一類事物的方法。
2.具體享元角色。
public class ConcreteFlyweight1 extends Flyweight{
//接受外部狀態
public ConcreteFlyweight1(String extrinsic){
super(extrinsic);
}
//根據外部狀態進行邏輯處理
public void operate(){
//業務邏輯
}
}public class ConcreteFlyweight2 extends Flyweight{
//接受外部狀態
public ConcreteFlyweight2(String extrinsic){
super(extrinsic);
}
//根據外部狀態進行邏輯處理
public void operate(){
//業務邏輯
}
}具體享元角色實現自己的業務邏輯，然后接收外部狀態，以便內部業務邏輯對外部狀態的依賴。
3.享元工廠。
public class FlyweightFactory {
//定義一個池容器
private static Map<String, Flyweight> pool = new HashMap<>();
//享元工廠
public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
//需要返回的對象
Flyweight flyweight;
//在池中沒有該對象
if (pool.containsKey(extrinsic)) {
flyweight = pool.get(extrinsic);
} else {
//根據外部狀態創建享元對象
flyweight = new ConcreteFlyweight1(extrinsic);
//放置到池中
pool.put(extrinsic, flyweight);
}
return flyweight;
}
}4.客戶端調用
public static void main(String[] args) {
Flyweight flyweight1 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
System.out.println(flyweight1.hashCode());
Flyweight flyweight2 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
System.out.println(flyweight2.hashCode());
}
Output:
1705736037
1705736037可以發現對象打印的 hashCode 一致，說明對象得到了復用。
Tips：外部狀態最好以Java的基本類型作為標志，如String、int等，可以大幅地提升效率。如果使用自己編寫的類作為外部狀態，則必須覆寫equals方法和hashCode方法，否則會出現通過鍵值搜索失敗的情況，例如map.get(object)、map.contains(object)等會返回失敗的結果。
線程安全問題
享元模式在多線程環境下可能存在線程安全問題，主要原因是享元對象的內部狀態和外部狀態被多個線程共享和修改，可能導致數據競爭和不一致性。具體來說，如果多個線程同時嘗試修改同一個享元對象的外部狀態，就會引發線程安全問題。
下面是示例代碼：
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
Flyweight flyweight1 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
Flyweight flyweight2 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
System.out.println(flyweight1 == flyweight2);
}).start();
}
}
Output:
true
false
true
true
true
true
true
true
true
true這段代碼展示了多線程環境下使用享元模式的示例。在 main 方法中，通過循環創建了 10 個線程，在每個線程中嘗試獲取表示 "hello world" 的享元對象，并比較兩個獲取的對象是否相等。
可以觀察到輸出中存在 false，說明對象不一樣了，存在線程安全問題。
要想實現線程安全，需要對享元工廠類稍加改造，代碼如下：
public class FlyweightFactory {
//定義一個池容器
private static Map<String, Flyweight> pool = new ConcurrentHashMap<>();
//享元工廠
public static synchronized Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
Flyweight flyweight = pool.putIfAbsent(extrinsic, new ConcreteFlyweight1(extrinsic));
if (flyweight == null) {
return pool.get(extrinsic);
}
return flyweight;
}
}這樣就解決了線程安全問題，不過性能上會有所降低，在需要的地方考慮一下線程安全即可，在大部分的場景下都不用考慮。
總結
享元模式通過共享相似對象來減少內存消耗，提高系統性能。它適用于存在大量相似對象且造成內存浪費的場景，但需要注意對內部狀態和外部狀態的管理。合理應用享元模式可以有效優化系統架構，提升性能。
優點
- 大幅減少內存使用，提高系統性能，實現了對象的復用，節約資源。
- 在一定程度上實現了對象狀態的外部化，方便對對象狀態的管理和維護。
缺點
- 對象狀態的外部化可能導致系統不穩定，需要謹慎設計。
- 提高了系統的復雜度，需要分離出外部狀態和內部狀態，而且外部狀態具有固有化的性質，不應該隨著內部狀態的變化而變化，否則會造成系統的混亂。
