一文搞懂设计模式—享元模式

当系统中存在大量相似对象时，每个对象都需要占用一定的内存空间，如果这些对象的大部分属性是相同的，那么频繁创建这些对象会导致内存消耗过大。享元模式将这些相同部分抽取出来作为共享的内部状态，在需要时进行共享，从而减少内存占用。

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象来最大化内存利用和性能提升，享元模式尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，则创建新对象。

使用场景

• 当系统中存在大量相似对象且造成了内存浪费时，可以考虑使用享元模式。
• 对象的状态可以外部化，并且剥离出共享部分和特有部分。
• 需要缓冲池的场景。

享元模式在对象池中的使用是一种常见的场景，通过对象池管理和复用对象实例，可以提高系统性能和资源利用率。对象池通常用于缓存、连接池等场景，其中对象的创建成本较高或者频繁创建销毁会影响性能时，对象池就显得尤为重要。

在 Java 中，String 类的 intern() 方法是享元模式的一个应用。intern() 方法返回字符串对象的规范化表示形式，即返回字符串池中与调用字符串等效的字符串。如果字符串池中已经存在等效的字符串，则返回该字符串；否则，将此字符串添加到字符串池中，并返回新的字符串引用。

下面是一个示例代码，演示了 String 类的 intern() 方法的应用：

public class StringInternExample {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "hello";
        String str2 = new String("hello");
        String str3 = str2.intern();

        System.out.println("str1 == str2: " + (str1 == str2)); // false
        System.out.println("str1 == str3: " + (str1 == str3)); // true
    }
}

在上述示例中，str1 和 str2 是两个不同的字符串对象，尽管它们的值相同，但由于 str2 使用了 new String() 构造方法创建，在堆内存中会生成一个新的对象。而通过调用 intern() 方法后，str3 返回的是字符串池中已存在的字符串对象，因此 str1 和 str3 指向的是同一个对象，所以输出结果为 "str1 == str3: true"。这就是 intern() 方法的享元模式应用，避免了重复创建相同的字符串对象，节省了内存空间。

具体实现

享元模式包含以下几个角色：

• 抽象享元（Flyweight）： 定义了享元对象的外部状态和内部状态，通过这个抽象类可以接受并作用于外部状态。
• 具体享元（Concrete Flyweight）： 继承了抽象享元类，包含内部状态和外部状态。具体享元对象需要确保内部状态是可以共享的，同时提供操作外部状态的方法。
• 非共享具体享元（Unshared Concrete Flyweight）： 与共享具体享元相对应，非共享具体享元是不能被共享的享元对象，通常是在具体享元中无法共享的情况下使用。
• 享元工厂（Flyweight Factory）： 负责创建和管理享元对象，在请求时返回已经创建的享元对象实例或者新创建一个享元对象。享元工厂通常会维护一个享元池用于存储已经创建的享元对象。

在享元模式中，核心在于区分内部状态和外部状态。内部状态是可以共享的部分，而外部状态是对象的非共享部分。

• 内部状态（Intrinsic State）： 内部状态是享元对象固有的、可以共享的状态，它存储在享元对象内部并且不会随着外部环境的变化而改变。内部状态可以被多个享元对象共享，因此通常将其设计为不可变的属性。内部状态对于享元对象的具体实现是必需的，但不会随着外部环境的变化而改变。
• 外部状态（Extrinsic State）： 外部状态是享元对象的可变部分，它随着外部环境的变化而变化，需要通过客户端传入享元对象来进行处理。外部状态并不影响享元对象的内部结构或行为，它只是作为享元对象行为的参数或上下文信息传入。外部状态具有固化特性，不应该随内部状态改变而改变，否则导致系统的逻辑混乱。

通过区分内部状态和外部状态，享元模式实现了将对象的共享部分和变化部分分离的目的，有效地减少了系统中重复对象的数量，提高了系统的性能和资源利用率。内部状态是享元对象本身的属性，而外部状态则是根据具体情况动态变化的参数。

实现步骤和示例代码如下：

1.首先定义抽象享元角色。

public abstract class Flyweight {
    //内部状态
    private String intrinsic;
    //外部状态
    protected final String extrinsic;
    //要求享元角色必须接受外部状态
    public Flyweight(String extrinsic){
        this.extrinsic = extrinsic;
    }
    //定义业务操作
    public abstract void operate();
    //内部状态的getter/setter
    public String getIntrinsic() {
        return intrinsic;
    }
    public void setIntrinsic(String intrinsic) {
        this.intrinsic = intrinsic;
    }
}

抽象享元角色一般为抽象类，它是描述一类事物的方法。

2.具体享元角色。

public class ConcreteFlyweight1 extends Flyweight{
    //接受外部状态
    public ConcreteFlyweight1(String extrinsic){
        super(extrinsic);
    }
    //根据外部状态进行逻辑处理
    public void operate(){
    //业务逻辑
    }
}

public class ConcreteFlyweight2 extends Flyweight{
    //接受外部状态
    public ConcreteFlyweight2(String extrinsic){
        super(extrinsic);
    }
    //根据外部状态进行逻辑处理
    public void operate(){
    //业务逻辑
    }
}

具体享元角色实现自己的业务逻辑，然后接收外部状态，以便内部业务逻辑对外部状态的依赖。

3.享元工厂。

public class FlyweightFactory {
    //定义一个池容器
    private static Map pool = new HashMap();

    //享元工厂
    public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
        //需要返回的对象
        Flyweight flyweight;
        //在池中没有该对象
        if (pool.containsKey(extrinsic)) {
            flyweight = pool.get(extrinsic);
        } else {
            //根据外部状态创建享元对象
            flyweight = new ConcreteFlyweight1(extrinsic);
            //放置到池中
            pool.put(extrinsic, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

4.客户端调用

public static void main(String[] args) {
        Flyweight flyweight1 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
        System.out.println(flyweight1.hashCode());
        Flyweight flyweight2 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
        System.out.println(flyweight2.hashCode());
    }

    Output:
    1705736037
    1705736037

可以发现对象打印的 hashCode 一致，说明对象得到了复用。

Tips：外部状态最好以Java的基本类型作为标志，如String、int等，可以大幅地提升效率。如果使用自己编写的类作为外部状态，则必须覆写equals方法和hashCode方法，否则会出现通过键值搜索失败的情况，例如map.get(object)、map.contains(object)等会返回失败的结果。

线程安全问题

享元模式在多线程环境下可能存在线程安全问题，主要原因是享元对象的内部状态和外部状态被多个线程共享和修改，可能导致数据竞争和不一致性。具体来说，如果多个线程同时尝试修改同一个享元对象的外部状态，就会引发线程安全问题。

下面是示例代码：

public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i  {
                Flyweight flyweight1 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
                Flyweight flyweight2 = FlyweightFactory.getFlyweight("hello world");
                System.out.println(flyweight1 == flyweight2);
            }).start();
        }
    }

Output:
true
false
true
true
true
true
true
true
true
true

这段代码展示了多线程环境下使用享元模式的示例。在 main 方法中，通过循环创建了 10 个线程，在每个线程中尝试获取表示 "hello world" 的享元对象，并比较两个获取的对象是否相等。

可以观察到输出中存在 false，说明对象不一样了，存在线程安全问题。

要想实现线程安全，需要对享元工厂类稍加改造，代码如下：

public class FlyweightFactory {
    //定义一个池容器
    private static Map pool = new ConcurrentHashMap();

    //享元工厂
    public static synchronized Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
        Flyweight flyweight = pool.putIfAbsent(extrinsic, new ConcreteFlyweight1(extrinsic));
        if (flyweight == null) {
            return pool.get(extrinsic);
        }
        return flyweight;
    }
}

这样就解决了线程安全问题，不过性能上会有所降低，在需要的地方考虑一下线程安全即可，在大部分的场景下都不用考虑。

总结

享元模式通过共享相似对象来减少内存消耗，提高系统性能。它适用于存在大量相似对象且造成内存浪费的场景，但需要注意对内部状态和外部状态的管理。合理应用享元模式可以有效优化系统架构，提升性能。

优点

• 大幅减少内存使用，提高系统性能，实现了对象的复用，节约资源。
• 在一定程度上实现了对象状态的外部化，方便对对象状态的管理和维护。

缺点

• 对象状态的外部化可能导致系统不稳定，需要谨慎设计。
• 提高了系统的复杂度，需要分离出外部状态和内部状态，而且外部状态具有固有化的性质，不应该随着内部状态的变化而变化，否则会造成系统的混乱。