Java开发设计模式 11：享元模式

Posted 2023-04-08 尹煜

1 享元模式介绍

享元模式是一种结构型设计模式，是一种对象池技术，它将多个小对象存储在一起，以节省内存。

享元模式的主要思想是共享可共享的对象，避免创建大量重复的对象，从而减少内存的使用。通过维护一个对象池，可以快速获取对象，也可以在不需要对象时及时释放对象。

📌 场景

• 对象池：如果需要频繁地创建和销毁大量对象，可以使用对象池来复用已经存在的对象，避免重复创建和销毁的性能损耗。

• 字符串池：比如 Java 中的字符串 String，其中同样字符的 String 指向同一个对象，不用字符的 String 指向不同的对象，字符拼接后相等字符的 String 也指向相同的对象。

• 资源共享：对于一些需要频繁读取的资源，可以使用享元模式来共享资源，提高性能效率。

• 连接池：数据库连接、线程池等类型的连接池都可以利用享元模式进行连接的重复使用。

📌 优缺点

• 优点：减少内存使用量、提高程序性能和效率
• 缺点：增加系统复杂性、难以维护和调试。

📌 与单例模式区别

享元工厂的实现方式与单例模式类似，有以下不同：

• 享元是对象级别的：在多个使用到这个对象的地方都只需要使用这一个对象即可满足要求。

• 单例是类级别的：这个类必须只能实例化出一个对象。

• 可以这么说：单例是享元的一种特例。单例可以看做是享元的实现方式中的一种，只不过比享元更加严格的控制了对象的唯一性。

2 享元模式实现

2.1 代码实现

以下围棋为例：

📌 1.定义棋子（抽象享元角色）

/**
 * 棋子
 */
public interface Piece 
    /**
     * 落子
     */
    public void fall();

📌 2.定义具体棋子（具体享元角色）

/**
 * 具体棋子
 */
public class PieceImpl implements Piece
    /**
     * 棋子
     */
    private String color;

    /**
     * 构造棋子
     * @param color 棋子颜色
     */
    public PieceImpl(String color) 
        this.color = color;
    

    @Override
    public void fall() 
        System.out.println(this.color);
    

📌 3.定义棋子工厂（享元工厂）

/**
 * 棋子工厂
 */
public enum PieceFactory 
    /**
     * 这里将前面介绍的单例模式应用起来<br>
     * 单例模式的最佳实现是使用枚举类型。<br>
     * 只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可<br>
     * 简洁，且无偿提供序列化，并由 JVM 从根本上提供线程安全的保障，绝对防止多次实例化，且能够抵御反射和序列化的攻击。
     */
    INSTANCE;

    /**
     * 棋盒
     */
    private Map<String,Piece> pieceBox = new HashMap<>();

    /**
     * 获取棋子
     * @param color 棋子颜色
     * @return 棋子
     */
    public Piece getPiece(String color) 
        // 先从棋盒获取棋子
        Piece piece = this.pieceBox.get(color);
        // 如果棋盒里没有棋子
        if (piece == null) 
            // 创建一颗棋子
            piece = new PieceImpl(color);
            // 放入棋盒
            this.pieceBox.put(color, piece);
        
        // 得到棋子
        return piece;
    

📌 4.定义棋子工厂（享元工厂）

// 获取棋子1
Piece piece1 = PieceFactory.INSTANCE.getPiece("白子");
// 获取棋子2
Piece piece2 = PieceFactory.INSTANCE.getPiece("白子");
// 获取棋子3
Piece piece3 = PieceFactory.INSTANCE.getPiece("黑子");
// 落子
piece1.fall();
piece2.fall();
piece3.fall();
// 比较两颗白子是否为同一对象
System.out.println(piece1 == piece2);
// 比较白子和黑子是否为同一对象
System.out.println(piece1 == piece3);

控制台输出：

白子
白子
黑子
true
false

可以发现，两颗黑子为同一对象，黑子与白子为不同对象，这样不管后面定义多少黑子与白子，都可以公用现存的两个对象，极大程度的节省了内存，这就是享元模式的优势。

2.2 线程安全问题

同单例模式一样，享元模式也存在线程安全的问题：

public class Client 
    public static void main(String[] args) 
        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            new Thread(() -> 
                Piece piece1 = PieceFactory.INSTANCE.getPiece("黑子");
                Piece piece2 = PieceFactory.INSTANCE.getPiece("黑子");
                System.out.println(piece1 == piece2);
            ).start();
        
    

控制台输出：

可以看到，里面部分实例对象是不相等的，因此需要给工厂里的 getxxx 方法加锁，直接使用 synchronized 关键字即可：

public synchronized Piece getPiece(String color) 

控制台输出：

 当然你还可以使用其他方法来保证线程安全

请参考：【Java开发】设计模式 01：单例模式_尹煜的博客-CSDN博客

java设计模式

java的设计模式大体上分为三大类：

• 创建型模式（5种）：工厂方法模式，抽象工厂模式，单例模式，建造者模式，原型模式。
• 结构型模式（7种）：适配器模式，装饰器模式，代理模式，外观模式，桥接模式，组合模式，享元模式。
• 行为型模式（11种）：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

设计模式遵循的原则有6个：

1、开闭原则（Open Close Principle）

　　对扩展开放，对修改关闭。

2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

　　只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。

3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

　　这个是开闭原则的基础，对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

　　使用多个隔离的借口来降低耦合度。

5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

　　一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

　　原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。继承实际上破坏了类的封装性，超类的方法可能会被子类修改。

1. 工厂模式（Factory Method）

　　常用的工厂模式是静态工厂，利用static方法，作为一种类似于常见的工具类Utils等辅助效果，一般情况下工厂类不需要实例化。

　　

interface food{}

class A implements food{}
class B implements food{}
class C implements food{}

public class StaticFactory {

    private StaticFactory(){}
    
    public static food getA(){  return new A(); }
    public static food getB(){  return new B(); }
    public static food getC(){  return new C(); }
}

class Client{
    //客户端代码只需要将相应的参数传入即可得到对象
    //用户不需要了解工厂类内部的逻辑。
    public void get(String name){
        food x = null ;
        if ( name.equals("A")) {
            x = StaticFactory.getA();
        }else if ( name.equals("B")){
            x = StaticFactory.getB();
        }else {
            x = StaticFactory.getC();
        }
    }
}

2. 抽象工厂模式（Abstract Factory）

　　一个基础接口定义了功能，每个实现接口的子类就是产品，然后定义一个工厂接口，实现了工厂接口的就是工厂，这时候，接口编程的优点就出现了，我们可以新增产品类（只需要实现产品接口），只需要同时新增一个工厂类，客户端就可以轻松调用新产品的代码。

　　抽象工厂的灵活性就体现在这里，无需改动原有的代码，毕竟对于客户端来说，静态工厂模式在不改动StaticFactory类的代码时无法新增产品，如果采用了抽象工厂模式，就可以轻松的新增拓展类。

　　实例代码：

interface food{}

class A implements food{}
class B implements food{}

interface produce{ food get();}

class FactoryForA implements produce{
    @Override
    public food get() {
        return new A();
    }
}
class FactoryForB implements produce{
    @Override
    public food get() {
        return new B();
    }
}
public class AbstractFactory {
    public void ClientCode(String name){
        food x= new FactoryForA().get();
        x = new FactoryForB().get();
    }
}

3. 单例模式（Singleton）

 　　在内部创建一个实例，构造器全部设置为private，所有方法均在该实例上改动，在创建上要注意类的实例化只能执行一次，可以采用许多种方法来实现，如Synchronized关键字，或者利用内部类等机制来实现。

　　

public class Singleton {
    private Singleton(){}

    private static class SingletonBuild{
        private static Singleton value = new Singleton();
    }

    public Singleton getInstance(){  return  SingletonBuild.value ;}
    
}

4.建造者模式（Builder）

　　在了解之前，先假设有一个问题，我们需要创建一个学生对象，属性有name,number,class,sex,age,school等属性，如果每一个属性都可以为空，也就是说我们可以只用一个name,也可以用一个school,name,或者一个class,number，或者其他任意的赋值来创建一个学生对象，这时该怎么构造？

　　难道我们写6个1个输入的构造函数，15个2个输入的构造函数.......吗？这个时候就需要用到Builder模式了。给个例子，大家肯定一看就懂：

 

public class Builder {

    static class Student{
        String name = null ;
        int number = -1 ;
        String sex = null ;
        int age = -1 ;
        String school = null ;

　　　　　//构建器，利用构建器作为参数来构建Student对象
        static class StudentBuilder{
            String name = null ;
            int number = -1 ;
            String sex = null ;
            int age = -1 ;
            String school = null ;
            public StudentBuilder setName(String name) {
                this.name = name;
                return  this ;
            }

            public StudentBuilder setNumber(int number) {
                this.number = number;
                return  this ;
            }

            public StudentBuilder setSex(String sex) {
                this.sex = sex;
                return  this ;
            }

            public StudentBuilder setAge(int age) {
                this.age = age;
                return  this ;
            }

            public StudentBuilder setSchool(String school) {
                this.school = school;
                return  this ;
            }
            public Student build() {
                return new Student(this);
            }
        }

        public Student(StudentBuilder builder){
            this.age = builder.age;
            this.name = builder.name;
            this.number = builder.number;
            this.school = builder.school ;
            this.sex = builder.sex ;
        }
    }

    public static void main( String[] args ){
        Student a = new Student.StudentBuilder().setAge(13).setName("LiHua").build();
        Student b = new Student.StudentBuilder().setSchool("sc").setSex("Male").setName("ZhangSan").build();
    }
}

5. 原型模式（Protype）

原型模式就是讲一个对象作为原型，使用clone()方法来创建新的实例。

public class Prototype implements Cloneable{

    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    @Override
    protected Object clone()   {
        try {
            return super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            return null;
        }
    }

    public static void main ( String[] args){
        Prototype pro = new Prototype();
        Prototype pro1 = (Prototype)pro.clone();
    }
}

此处使用的是浅拷贝，关于深浅拷贝，大家可以另行查找相关资料。

6.适配器模式（Adapter）

适配器模式的作用就是在原来的类上提供新功能。主要可分为3种：

• 类适配：创建新类，继承源类，并实现新接口，例如 

  class  adapter extends oldClass  implements newFunc{}

• 对象适配：创建新类持源类的实例，并实现新接口，例如 

  class adapter implements newFunc { private oldClass oldInstance ;}

• 接口适配：创建新的抽象类实现旧接口方法。例如 

  abstract class adapter implements oldClassFunc { void newFunc();}

7.装饰模式（Decorator）

 给一类对象增加新的功能，装饰方法与具体的内部逻辑无关。例如：

interface Source{ void method();}
public class Decorator implements Source{

    private Source source ;
    public void decotate1(){
        System.out.println("decorate");
    }
    @Override
    public void method() {
        decotate1();
        source.method();
    }
}

8.代理模式（Proxy）

客户端通过代理类访问，代理类实现具体的实现细节，客户只需要使用代理类即可实现操作。

这种模式可以对旧功能进行代理，用一个代理类调用原有的方法，且对产生的结果进行控制。

interface Source{ void method();}

class OldClass implements Source{
    @Override
    public void method() {
    }
}

class Proxy implements Source{
    private Source source = new OldClass();

    void doSomething(){}
    @Override
    public void method() {
        new Class1().Func1();
        source.method();
        new Class2().Func2();
        doSomething();
    }
}

9.外观模式（Facade）

为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，定义一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。这句话是百度百科的解释，有点难懂，但是没事，看下面的例子，我们在启动停止所有子系统的时候，为它们设计一个外观类，这样就可以实现统一的接口，这样即使有新增的子系统subSystem4,也可以在不修改客户端代码的情况下轻松完成。

public class Facade {
    private subSystem1 subSystem1 = new subSystem1();
    private subSystem2 subSystem2 = new subSystem2();
    private subSystem3 subSystem3 = new subSystem3();
    
    public void startSystem(){
        subSystem1.start();
        subSystem2.start();
        subSystem3.start();
    }
    
    public void stopSystem(){
        subSystem1.stop();
        subSystem2.stop();
        subSystem3.stop();
    }
}

10.桥接模式（Bridge）

这里引用下http://www.runoob.com/design-pattern/bridge-pattern.html的例子。Circle类将DrwaApi与Shape类进行了桥接，代码：

interface DrawAPI {
    public void drawCircle(int radius, int x, int y);
}
class RedCircle implements DrawAPI {
    @Override
    public void drawCircle(int radius, int x, int y) {
        System.out.println("Drawing Circle[ color: red, radius: "
                + radius +", x: " +x+", "+ y +"]");
    }
}
class GreenCircle implements DrawAPI {
    @Override
    public void drawCircle(int radius, int x, int y) {
        System.out.println("Drawing Circle[ color: green, radius: "
                + radius +", x: " +x+", "+ y +"]");
    }
}

abstract class Shape {
    protected DrawAPI drawAPI;
    protected Shape(DrawAPI drawAPI){
        this.drawAPI = drawAPI;
    }
    public abstract void draw();
}

class Circle extends Shape {
    private int x, y, radius;

    public Circle(int x, int y, int radius, DrawAPI drawAPI) {
        super(drawAPI);
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.radius = radius;
    }

    public void draw() {
        drawAPI.drawCircle(radius,x,y);
    }
}

//客户端使用代码
Shape redCircle = new Circle(100,100, 10, new RedCircle());
Shape greenCircle = new Circle(100,100, 10, new GreenCircle());
redCircle.draw();
greenCircle.draw();

11.组合模式（Composite）

 组合模式是为了表示那些层次结构，同时部分和整体也可能是一样的结构，常见的如文件夹或者树。举例：

abstract class component{}

class File extends  component{ String filename;}

class Folder extends  component{
    component[] files ;  //既可以放文件File类，也可以放文件夹Folder类。Folder类下又有子文件或子文件夹。
    String foldername ;
    public Folder(component[] source){ files = source ;}
    
    public void scan(){
        for ( component f:files){
            if ( f instanceof File){
                System.out.println("File "+((File) f).filename);
            }else if(f instanceof Folder){
                Folder e = (Folder)f ;
                System.out.println("Folder "+e.foldername);
                e.scan();
            }
        }
    }
    
}

12.享元模式（Flyweight）

使用共享对象的方法，用来尽可能减少内存使用量以及分享资讯。通常使用工厂类辅助，例子中使用一个HashMap类进行辅助判断，数据池中是否已经有了目标实例，如果有，则直接返回，不需要多次创建重复实例。

abstract class flywei{ }

public class Flyweight extends flywei{
    Object obj ;
    public Flyweight(Object obj){
        this.obj = obj;
    }
}

class  FlyweightFactory{
    private HashMap<Object,Flyweight> data;

    public FlyweightFactory(){ data = new HashMap<>();}

    public Flyweight getFlyweight(Object object){
        if ( data.containsKey(object)){
            return data.get(object);
        }else {
            Flyweight flyweight = new Flyweight(object);
            data.put(object,flyweight);
            return flyweight;
        }
    }
}