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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。
代码语言：javascript复制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。
代码语言：javascript复制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。
代码语言：javascript复制public class FlyweightFactory {
//定义一个池容器
private static Map<String, Flyweight> 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
代码语言：javascript复制 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：
代码语言：javascript复制 public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i ) {
new Thread(() -> {
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：
代码语言：javascript复制public class FlyweightFactory {
//定义一个池容器
private static Map<String, Flyweight> 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。
希望这篇文章能给你带来收获和思考，如果你也有可借鉴的经验和深入的思考，欢迎评论区留言讨论。
