【Java设计模式】五、5.7 结构型模式——享元模式
5.7 享元模式
5.7.1 概述
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、避免大量相似对象的开销,从而提高系统资源的利用率。
5.7.2 结构
享元(Flyweight )模式中存在以下两种状态:
- 内部状态,即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。
- 外部状态,指随环境改变而改变的不可以共享的部分。享元模式的实现要领就是区分应用中的这两种状态,并将外部状态外部化。
享元模式的主要有以下角色:
- 抽象享元角色(Flyweight):通常是一个接口或抽象类,在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法,这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据(内部状态),同时也可以通过这些方法来设置外部数据(外部状态)。
- 具体享元(Concrete Flyweight)角色 :它实现了抽象享元类,称为享元对象;在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类,为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。
- 非享元(Unsharable Flyweight)角色 :并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享,不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类;当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
- 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。
5.7.3 案例实现
【例】俄罗斯方块
下面的图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块,如果在俄罗斯方块这个游戏中,每个不同的方块都是一个实例对象,这些对象就要占用很多的内存空间,下面利用享元模式进行实现。
先来看类图:
代码如下:
俄罗斯方块有不同的形状,我们可以对这些形状向上抽取出AbstractBox,用来定义共性的属性和行为。
public abstract class AbstractBox {public abstract String getShape();public void display(String color) {System.out.println("方块形状:" + this.getShape() + " 颜色:" + color);}
}
接下来就是定义不同的形状了,IBox类、LBox类、OBox类等。
public class IBox extends AbstractBox {@Overridepublic String getShape() {return "I";}
}public class LBox extends AbstractBox {@Overridepublic String getShape() {return "L";}
}public class OBox extends AbstractBox {@Overridepublic String getShape() {return "O";}
}
提供了一个工厂类(BoxFactory),用来管理享元对象(也就是AbstractBox子类对象),该工厂类对象只需要一个,所以可以使用单例模式。并给工厂类提供一个获取形状的方法。
public class BoxFactory {private static HashMap<String, AbstractBox> map;private BoxFactory() {map = new HashMap<String, AbstractBox>();AbstractBox iBox = new IBox();AbstractBox lBox = new LBox();AbstractBox oBox = new OBox();map.put("I", iBox);map.put("L", lBox);map.put("O", oBox);}public static final BoxFactory getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}private static class SingletonHolder {private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory();}public AbstractBox getBox(String key) {return map.get(key);}
}
5.7.5 优缺点和使用场景
1,优点
- 极大减少内存中相似或相同对象数量,节约系统资源,提供系统性能
- 享元模式中的外部状态相对独立,且不影响内部状态
2,缺点:
为了使对象可以共享,需要将享元对象的部分状态外部化,分离内部状态和外部状态,使程序逻辑复杂
3,使用场景:
- 一个系统有大量相同或者相似的对象,造成内存的大量耗费。
- 对象的大部分状态都可以外部化,可以将这些外部状态传入对象中。
- 在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池,而这需要耗费一定的系统资源,因此,应当在需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。
5.7.6 JDK源码解析
Integer类使用了享元模式。我们先看下面的例子:
public class Demo {public static void main(String[] args) {Integer i1 = 127;Integer i2 = 127;System.out.println("i1和i2对象是否是同一个对象?" + (i1 == i2));Integer i3 = 128;Integer i4 = 128;System.out.println("i3和i4对象是否是同一个对象?" + (i3 == i4));}
}
运行上面代码,结果如下:
为什么第一个输出语句输出的是true,第二个输出语句输出的是false?通过反编译软件进行反编译,代码如下:
public class Demo {public static void main(String[] args) {Integer i1 = Integer.valueOf((int)127);Integer i2 Integer.valueOf((int)127);System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i1\u548ci2\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i1 == i2)).toString());Integer i3 = Integer.valueOf((int)128);Integer i4 = Integer.valueOf((int)128);System.out.println((String)new StringBuilder().append((String)"i3\u548ci4\u5bf9\u8c61\u662f\u5426\u662f\u540c\u4e00\u4e2a\u5bf9\u8c61\uff1f").append((boolean)(i3 == i4)).toString());}
}
上面代码可以看到,直接给Integer类型的变量赋值基本数据类型数据的操作底层使用的是 valueOf()
,所以只需要看该方法即可
public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {public static Integer valueOf(int i) {if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];return new Integer(i);}private static class IntegerCache {static final int low = -128;static final int high;static final Integer cache[];static {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_VALUEh = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);} catch( NumberFormatException nfe) {}}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() {}}
}
可以看到 Integer
默认先创建并缓存 -128 ~ 127
之间数的 Integer
对象,当调用 valueOf
时如果参数在 -128 ~ 127
之间则计算下标并从缓存中返回,否则创建一个新的 Integer
对象。
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