java的享元模式

1. 什么是享元模式？

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，通过共享对象来减少内存占用，从而高效支持大量细粒度的对象。其核心思想是分离对象的内部状态（可共享）和外部状态（不可共享），通过共享内部状态来避免重复创建对象。

2. 核心概念

• 内部状态：对象中不变的部分，可以被多个对象共享（例如：颜色、字体）。

• 外部状态：对象中变化的部分，由客户端传入（例如：位置、尺寸）。

3. 模式结构

• Flyweight：定义享元对象的接口（例如：Shape）。

• ConcreteFlyweight：实现享元接口，保存内部状态（例如：ColorShape）。

• FlyweightFactory：创建并管理享元对象池，确保共享（例如：ShapeFactory）。

4. 实现示例：图形绘制系统

假设需要绘制大量不同颜色的圆形，颜色是内部状态，坐标是外部状态。

步骤 1：定义享元接口

public interface Shape {
    void draw(int x, int y);  // 外部状态由参数传入
}

步骤 2：实现具体享元类

public class ColorShape implements Shape {
    private final String color;  // 内部状态（不可变）

    public ColorShape(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw(int x, int y) {
        System.out.println(
            "Drawing " + color + " circle at (" + x + ", " + y + ")"
        );
    }
}

步骤 3：创建享元工厂

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class ShapeFactory {
    private static final Map<String, Shape> shapes = new HashMap<>();

    public static Shape getShape(String color) {
        // 如果颜色不存在，则创建新对象并缓存
        Shape shape = shapes.computeIfAbsent(color, ColorShape::new);
        return shape;
    }
}

步骤 4：客户端使用

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取红色圆形（首次创建）
        Shape redCircle = ShapeFactory.getShape("red");
        redCircle.draw(10, 20);  // 传入外部状态坐标

        // 再次获取红色圆形（共享已有对象）
        Shape sameRedCircle = ShapeFactory.getShape("red");
        sameRedCircle.draw(30, 40);

        // 验证是否为同一对象
        System.out.println("Same instance? " + (redCircle == sameRedCircle));

        // 获取蓝色圆形（创建新对象）
        Shape blueCircle = ShapeFactory.getShape("blue");
        blueCircle.draw(50, 60);
    }
}

输出结果

Drawing red circle at (10, 20)
Drawing red circle at (30, 40)
Same instance? true
Drawing blue circle at (50, 60)

5. 享元模式在 JDK 中的应用

• Integer.valueOf(int)：缓存了 -128 到 127 的整数对象。

• String 常量池：相同字符串字面量指向同一内存。

6. 适用场景

• 系统中存在大量相似对象。

• 对象的大部分状态可以外部化。

• 需要减少内存消耗或对象创建开销。

7. 优缺点

• 优点：

  • 大幅减少内存占用。

  • 提高性能（减少对象创建和垃圾回收）。

• 缺点：

  • 增加系统复杂度（需分离内外状态）。

  • 线程安全问题需额外处理（共享对象可能被多线程修改）。

8. 扩展思考

• 外部状态管理：通常由客户端维护外部状态，享元对象仅处理内部状态。

• 复合享元：将多个享元组合成树形结构，支持更复杂的共享逻辑。

通过合理使用享元模式，可以在处理大量细粒度对象时显著优化资源利用。