享元模式

一、享元模式

1. 原理：享元模式是一种结构型设计模式， 它摒弃了在每个对象中保存所有数据的方式， 通过共享多个对象所共有的相同状态， 让你能在有限的内存容量中载入更多对象。

2. 优缺点

   2. 1 优点
   • 减少内存使用： 通过共享相似对象的公共部分，可以减少内存使用量，特别是当系统中存在大量相似对象时，这种节省可以显著提高性能和减少资源消耗。
   • 提高性能： 由于减少了对象的数量，因此在创建和销毁对象时的开销也相应减少，可以提高系统的性能。
   • 提高可维护性： 享元模式将对象的状态分为内部状态和外部状态，内部状态是可以共享的，外部状态是不可共享的。这种区分有助于更好地管理对象状态，使得系统更易于维护。
   • 支持大规模对象： 享元模式适用于需要大量相似对象的场景，例如图形编辑器中的图元对象，文档编辑器中的字符对象等。
   2. 2 缺点
   • 复杂性增加： 享元模式引入了共享对象池和状态管理机制，这增加了系统的复杂性，使得代码变得更加难以理解和维护。
   • 可能引入线程安全问题： 如果享元对象被多个线程同时访问和修改，可能会引入线程安全问题，需要额外的同步机制来保证对象的状态不被破坏。
   • 可能引入性能问题： 尽管享元模式可以减少内存使用和对象数量，但在某些情况下，共享对象的创建和管理可能会引入额外的性能开销，特别是在对象的状态转换复杂或者需要频繁修改状态时。
   • 对外部状态的管理： 在享元模式中，需要额外的机制来管理外部状态，例如在享元对象外部维护状态信息的数据结构，这增加了系统的复杂性和开发成本。

3. 适用场景

   • 大量相似对象： 当系统中存在大量相似对象，并且这些对象的区别主要在于它们的内部状态时，可以使用享元模式来共享这些相似对象的内部状态，减少内存消耗。
   • 频繁创建和销毁对象： 如果系统中频繁创建和销毁对象，而且创建对象的开销比较大，可以使用享元模式来缓存已经创建的对象，避免重复创建，提高系统性能。
   • 对象数量巨大： 在需要管理大量对象的系统中，例如图形编辑器、文档编辑器等，通过享元模式可以有效地减少对象的数量，减少系统的内存消耗和资源占用。
   • 对象的状态可以分为内部状态和外部状态： 如果对象的状态可以分为内部状态和外部状态，并且内部状态可以共享，外部状态可以通过参数传递的方式进行管理，那么可以使用享元模式来提高系统的效率。
   • 需要缓存对象以提高性能： 在需要缓存对象以提高系统性能的场景中，可以使用享元模式来缓存对象，避免重复创建和销毁对象，提高系统的响应速度。

二、享元模式基本代码

1. 享元接口

   interface Shape {
       void draw();
   }
   

2. 具体享元类

   class Circle implements Shape {
       private String color;
   
       public Circle(String color) {
           this.color = color;
       }
   
       @Override
       public void draw() {
           System.out.println("Drawing Circle with color: " + color);
       }
   }
   

3. 享元工厂类

   class ShapeFactory {
       private static final HashMap<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();
   
       // 获取圆形对象
       public static Shape getCircle(String color) {
           Circle circle = (Circle) circleMap.get(color);
   
           // 如果不存在该颜色的圆形，则创建一个新的圆形对象并放入享元池中
           if (circle == null) {
               circle = new Circle(color);
               circleMap.put(color, circle);
               System.out.println("Creating new Circle with color: " + color);
           }
           
           return circle;
       }
   }
   

4. 客户端

   public class Main {
       private static final String[] colors = { "Red", "Green", "Blue", "Yellow", "Black" };
   
       public static void main(String[] args) {
           // 模拟绘制不同颜色的圆形
           for (int i = 0; i < 10; ++i) {
               String color = colors[(int) (Math.random() * colors.length)];
               Shape circle = ShapeFactory.getCircle(color);
               circle.draw();
           }
       }
   }
   

三、实现方式

1. 将需要改写为享元的类成员变量拆分为两个部分：
   • 内在状态： 包含不变的、 可在许多对象中重复使用的数据的成员变量。
   • 外在状态： 包含每个对象各自不同的情景数据的成员变量
2. 保留类中表示内在状态的成员变量， 并将其属性设置为不可修改。 这些变量仅可在构造函数中获得初始数值。
3. 找到所有使用外在状态成员变量的方法， 为在方法中所用的每个成员变量新建一个参数， 并使用该参数代替成员变量。
4. 你可以有选择地创建工厂类来管理享元缓存池， 它负责在新建享元时检查已有的享元。 如果选择使用工厂， 客户端就只能通过工厂来请求享元， 它们需要将享元的内在状态作为参数传递给工厂。
5. 客户端必须存储和计算外在状态 （情景） 的数值， 因为只有这样才能调用享元对象的方法。 为了使用方便， 外在状态和引用享元的成员变量可以移动到单独的情景类中。