13-享元模式

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  1. 一、展示网站项目需求
  2. 二、享元模式基本介绍
  3. 三、享元模式的原理类图
  4. 四、内部状态和外部状态
  5. 五、享元模式解决网站展现项目
  6. 六、享元模式在JDK源码中的应用-Integer类
  7. 七、享元模式的注意事项和细节

一、展示网站项目需求

当前假设有一个项目，给客户 A 做一个产品展示网站，客户 A 的朋友感觉效果不错，也希望做这样的产品展示网站，但是要求都有些不同：

  • 有客户要求以新闻的形式发布
  • 有客户人要求以博客的形式发布
  • 有客户希望以微信公众号的形式发布

传统方案解决网站展现项目

  • 直接复制粘贴一份，然后根据客户不同要求，进行定制修改
  • 给每个网站租用一个空间
  • 方案设计示意图

传统方式

传统方案解决网站展现项目存在以下问题：

  • 需要的网站结构相似度很高，而且都不是高问量网站，如果分成多个虚拟空间来处理，相当于一个相同网站的实例对象很多，造成服务器的资源浪费。
  • 解决思路：整合到一个网站中，共享其相关的代码和数据，对于硬盘、内存、CPU、数据库空间等服务器资源都可以达成共享，减少服务器资源。
  • 对于代码来说，由于是一份实例，维护和扩展都更加容易。
  • 上面的解决思路就可以使用 享元模式 来解决。

二、享元模式基本介绍

  • 享元模式（Flyweight Pattern）也叫蝇量模式：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
  • 常用于系统底层开发，解决系统的性能问题。像数据库连接池，里面都是创建好的连接对象，在这些连接对象 中有我们需要的则直接拿来用，避免重新创建，如果没有我们需要的，则创建一个。
  • 享元模式能够解决重复对象的内存浪费的问题，当系统中有大量相似对象，需要缓冲池时。不需总是创建新对 象，可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存，同时提高效率。
  • 享元模式经典的应用场景就是池技术了，String 常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，享元模式是池技术的重要实现方式。

三、享元模式的原理类图

享元模式原理图

对类图的说明

对原理图的说明-即(模式的角色及职责)

  • FlyWeight：是抽象的享元角色, 他是产品的抽象类, 同时定义出对象的外部状态和内部状态(后面介绍) 的接口或实现
  • ConcreteFlyweight：具体的享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义的相关业务.
  • UnsharedConcreteFlyweight：不可共享的角色，一般不会出现在享元工厂中.
  • FlyweightFactory：享元工厂类，用于构建一个池容器（集合），同时提供从池中获取对象的方法

四、内部状态和外部状态

比如围棋、五子棋、跳棋，它们都有大量的棋子对象，围棋和五子棋只有黑白两色，跳棋颜色多一点。所以棋子颜色就是棋子的内部状态；而各个棋子之间的差别就是位置的不同。当我们落子后，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以棋子坐标就是棋子的外部状态

  • 享元模式提出了两个要求：细粒度 和 共享对象。即将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，存储在享元对象内部且不会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，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。

举个例子：围模理论上有 361 个空位可以放棋子，每盘棋都有可能有两三百个棋子对象产生。因为内存空间有限，一台服务器很难支持更多的玩家玩围模游戏。如果用享元模式来处理棋子，那么棋子对象就可以减少到只有两个实例，这样就很好的解决了对象的开销问题

五、享元模式解决网站展现项目

原理类图

享元模式

UML 类图

img

代码如下：

public class User {
    private String name;

    // 省略 get/set 构造方法
}

// 抽象的享元对象
public abstract class WebSite {
    public abstract void use(User user);
}

// 具体的享元角色
public class ConcreteWebSite extends WebSite {

    // 网站类型，享元模式中的内部状态
    private String type;

    public ConcreteWebSite(String type) {
        this.type = type;
    }

    @Override
    public void use(User user) {
        System.out.println("网站的发布形式为:" + type + " 在使用中 .. 使用者是" + user.getName());
    }
}

// 享元工厂
public class WebSiteFactory {

    // 共享数据池
    private Map<String, WebSite> pool = new HashMap<>();

    // 根据网站的类型，返回一个网站, 如果没有就创建一个网站，并放入到池中,并返回
    public WebSite getWebSiteCategory(String type) {
        if (!pool.containsKey(type)) {
            // 创建一个网站，并放入到池中
            pool.put(type, new ConcreteWebSite(type));
        }
        return pool.get(type);
    }

    // 获取网站分类的总数 (池中有多少个网站类型)
    public int getWebSiteCount() {
        return pool.size();
    }
}

// 测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {

        WebSiteFactory factory = new WebSiteFactory();

        // 新闻形式的网站
        WebSite webSite1 = factory.getWebSiteCategory("新闻");
        webSite1.use(new User("Tom"));

        // 博客形式的网站
        WebSite webSite2 = factory.getWebSiteCategory("博客");
        webSite2.use(new User("Jack"));


        int webSiteCount = factory.getWebSiteCount();
        System.out.println("网站分类数：" + webSiteCount);
    }
}

运行结果：

网站的发布形式为:新闻 在使用中 .. 使用者是Tom
网站的发布形式为:博客 在使用中 .. 使用者是Jack
网站分类数：2

六、享元模式在JDK源码中的应用-Integer类

首先先看一段代码测试

Integer x = Integer.valueOf(127);
Integer y = new Integer(127);
Integer z = Integer.valueOf(127);
Integer w = new Integer(127);
System.out.println(x.equals(y)); // true
System.out.println(x == y);      // false
System.out.println(x == z);      // true
System.out.println(w == x);      // false
System.out.println(w == y);      // false

我们知道：equals比较的是对象的内容，==比较的是对象的实例

  • x.equals(y)结果为true：比较的是大小，所以结果为true

  • x == y、w == x、w == y结果为false：由于 y 是 new 出来的，所以结果为false

  • x == z结果为true：这是为什么呢？？？

我们追踪一下Integer对象的valueOf方法，看一下源码

public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

这里的low和high是多少呢？

private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;
    static final int high;
    static final Integer cache[];

    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
        String integerCacheHighPropValue =
            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
        if (integerCacheHighPropValue != null) {
            try {
                int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                i = Math.max(i, 127);
                // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
            } catch( NumberFormatException nfe) {
                // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
            }
        }
        high = h;

        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);

        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
        assert IntegerCache.high >= 127;
    }

    private IntegerCache() {}
}

我们通过IntegerCache中源码大概基本分析出

  • low为-128

  • high为127

所以当Integer在[-128, 127]时，会返回IntegerCache的cache[]数组内容；否则，valueOf方法相当于new Integer了。也就是说，Integer.valueOf(x)方法使用的就是享元模式。

另外，我们也可以分析出：

  • 当数值范围在[-128, 127]时，使用valueOf方法执行速度比new更快

七、享元模式的注意事项和细节

  • 在享元模式这样理解，“享”就表示共享，“元”表示对象
  • 系统中有大量对象，这些对象消耗大量内存，并且对象的状态大部分可以外部化时，我们就可以考虑选用享元模式
  • 用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象，用 HashMap/HashTable 存储
  • 享元模式大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率
  • 享元模式提高了系统的复杂度，需要分离出内部状态和外部状态。而内部状态具有固化特性，不应该随着外部状态的改变而改变，这是我们使用享元模式需要注意的地方
  • 使用享元模式时，注意划分内部状态和外部状态，并且需要有一个工厂类加以控制
  • 享元模式经典的应用场景是需要缓冲池的场景，比如 String 常量池、数据库连接池
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