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设计模式-结构型模式(六)享元模式

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享元模式的使用场景

在面向对象程序设计过程中,有时会面临要创建大量相同或相似对象实例的问题。创建那么多的对象将会耗费很多的系统资源,它是系统性能提高的一个瓶颈。

例如,围棋和五子棋中的黑白棋子,图像中的坐标点或颜色,局域网中的路由器、交换机和集线器,教室里的桌子和凳子等。这些对象有很多相似的地方,如果能把它们相同的部分提取出来共享,则能节省大量的系统资源,这就是享元模式的产生背景。

享元模式的定义与特点

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:

  1. 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。
  2. 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

享元模式的结构与实现

享元模式的定义提出了两个要求,细粒度和共享对象。因为要求细粒度,所以不可避免地会使对象数量多且性质相近,此时我们就将这些对象的信息分为两个部分:内部状态和外部状态。

  • 内部状态指对象共享出来的信息,存储在享元信息内部,并且不回随环境的改变而改变;
  • 外部状态指对象得以依赖的一个标记,随环境的改变而改变,不可共享。

比如,连接池中的连接对象,保存在连接对象中的用户名、密码、连接URL等信息,在创建对象的时候就设置好了,不会随环境的改变而改变,这些为内部状态。而当每个连接要被回收利用时,我们需要将它标记为可用状态,这些为外部状态。

享元模式的本质是缓存共享对象,降低内存消耗。

模式的结构

享元模式的主要角色有如下。

  1. 抽象享元角色(Flyweight):是所有的具体享元类的基类,为具体享元规范需要实现的公共接口,非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入。
  2. 具体享元(Concrete Flyweight)角色:实现抽象享元角色中所规定的接口。
  3. 非享元(Unsharable Flyweight)角色:是不可以共享的外部状态,它以参数的形式注入具体享元的相关方法中。
  4. 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。

图 1 是享元模式的结构图,其中:

  • UnsharedConcreteFlyweight 是非享元角色,里面包含了非共享的外部状态信息 info;
  • Flyweight 是抽象享元角色,里面包含了享元方法 operation(UnsharedConcreteFlyweight state),非享元的外部状态以参数的形式通过该方法传入;
  • ConcreteFlyweight 是具体享元角色,包含了关键字 key,它实现了抽象享元接口;
  • FlyweightFactory 是享元工厂角色,它是关键字 key 来管理具体享元;
  • 客户角色通过享元工厂获取具体享元,并访问具体享元的相关方法。

 

设计模式-结构型模式(六)享元模式

 模式的实现

享元模式的实现代码如下:

public class FlyweightPattern {
    public static void main(String[] args) {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
        Flyweight f01 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f02 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f03 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f11 = factory.getFlyweight("b");
        Flyweight f12 = factory.getFlyweight("b");
        f01.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用a。"));
        f02.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用a。"));
        f03.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第3次调用a。"));
        f11.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用b。"));
        f12.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用b。"));
    }
}

//非享元角色
class UnsharedConcreteFlyweight {
    private String info;

    UnsharedConcreteFlyweight(String info) {
        this.info = info;
    }

    public String getInfo() {
        return info;
    }

    public void setInfo(String info) {
        this.info = info;
    }
}

//抽象享元角色
interface Flyweight {
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight state);
}

//具体享元角色
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String key;

    ConcreteFlyweight(String key) {
        this.key = key;
        System.out.println("具体享元" + key + "被创建!");
    }

    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight outState) {
        System.out.print("具体享元" + key + "被调用,");
        System.out.println("非享元信息是:" + outState.getInfo());
    }
}

//享元工厂角色
class FlyweightFactory {
    private HashMap<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<String, Flyweight>();

    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        Flyweight flyweight = (Flyweight) flyweights.get(key);
        if (flyweight != null) {
            System.out.println("具体享元" + key + "已经存在,被成功获取!");
        } else {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(key);
            flyweights.put(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

程序运行结果如下:

具体享元a被创建!
具体享元a已经存在,被成功获取!
具体享元a已经存在,被成功获取!
具体享元b被创建!
具体享元b已经存在,被成功获取!
具体享元a被调用,非享元信息是:第1次调用a。
具体享元a被调用,非享元信息是:第2次调用a。
具体享元a被调用,非享元信息是:第3次调用a。
具体享元b被调用,非享元信息是:第1次调用b。
具体享元b被调用,非享元信息是:第2次调用b。

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悠扬
关于作者:
10年以上工作经验,从事2年微服务架构搭建工作,有大数据处理相关工作经验,使用spring全家桶包括:Spring,SpringBoot,SpringCloud 数据层组件服务使用SpringDataJpa,Mybatis以及其他第三方组件Sharding-JDBC,Sharding-Proxy分库分表。熟悉微服务,服务降级,限流,分流,做过项目源码修改,有cat,apollo,nacos使用经验,有Lostash,Elasticsearch,kibana,mysqlMHA生产实践经验,使用开源代码Apache Sarding项目,修改源码支持mysql分库分表使用年月日小时分库分表,docker做集群服务,Jekins做项目发布,GitLab做项目管理,使用docker容器部署,熟悉消息队列RabbitMQ,Kafka,ActiveMQ。RuoYi-Vue-Atomikos项目开源加入生态圈组件,项目支持分布式事务,界面添加多数据源,数据源动态配置,切面切换,多数据源事务支持,支持区域数据源配置,用于区域数据切分,数据层次分库。项目地址:https://gitee.com/zsiyang/ruoyi-vue-atomikos
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