享元模式(Flyweight Pattern):运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用,系统只使用少量对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象,因此它又称为轻量级模式,它是一种对象结构型模式。

当系统中存在大量相似或相同的对象时,将会导致运行代价过高、性能下降、OOM 等问题,享元模式正为解决之一类问题而诞生

在学习享元模式之前需要先了解一下 细粒度 和享元对象中的 内部状态外部状态 这三个概念:

  • 内部状态:不随环境改变而改变的状态,内部状态可以共享,例如人的性别,不管任何环境下都不会改变
  • 外部状态:随着环境改变而改变的状态,不可以共享的状态,享元对象的外部状态通常由客户端保存,并在享元对象创建后,需要的时候传入享元对象内部,不同的外部状态是相互独立的。例如衣服和鞋子,人在不同的环境下会穿不同的衣服和鞋子,但是衣服和鞋子又是相互独立不受彼此影响的
  • 细粒度:较小的对象,所包含的内部状态较小


  • Flyweight(抽象享元类):通常是接口或抽象类,抽象享元类中声明了具体享元类公共方法,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)
  • ConcreteFlyweight(具体享元类):继承抽象享元类,在具体享元类中为内部状态提供存储空间。通常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
  • UnshareConcreteFlyweight(非分享具体享元类):并不是所有的具体享元类都需要被共享,不能被共享的子类可以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
  • FlyweightFactory(享元工厂类):创建并管理享元对象,将各种具体享元类存储到一个享元池中,享元池一般为“键值对”集合,可以结合工厂模式进行设计。当用户请求一个具体享元对象时,享元池中如果保存的有就直接返回给用户,如果没有就创建该享元对象返回给用户并存储到享元池中


上面的图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块,这次就拿这个游戏举个栗子,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改造:

Flyweight 类:

1
2
3
4
5
6
7
8
public abstract class AbstractBox {

public abstract String getShape();

public void display() {
LogUtils.i("方块形状:" + this.getShape());
}
}

ConcreteFlyweight 类:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
// I形方块
public class IBox extends AbstractBox {
@Override
public String getShape() {
return "I";
}
}

// L形方块
public class LBox extends AbstractBox {
@Override
public String getShape() {
return "L";
}
}

// O形方块
public class OBox extends AbstractBox {
@Override
public String getShape() {
return "O";
}
}

FlyweightFactory 类:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
public class BoxFactory {

private static class SingletonHolder {
private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory();
}

public static final BoxFactory getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}

private static Hashtable<String, AbstractBox> sHashtable;

private BoxFactory() {
sHashtable = new Hashtable<>();

AbstractBox iBox = new IBox();
AbstractBox lBox = new LBox();
AbstractBox oBox = new OBox();

sHashtable.put("I", iBox);
sHashtable.put("L", lBox);
sHashtable.put("O", oBox);
}

public AbstractBox getBox(String key) {
return sHashtable.get(key);
}
}

Client 类:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
AbstractBox i1 = BoxFactory.getInstance().getBox("I");
i1.display();
AbstractBox i2 = BoxFactory.getInstance().getBox("L");
i2.display();
AbstractBox i3 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
i3.display();
AbstractBox i4 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
i4.display();
// 用 == 对比两个对象的内存地址
LogUtils.i("两个对象是否相等:" + (i3 == i4));

可以看出,所有的方块都从工厂类中获取,而且是同一个对象,不用重新创建对象导致占用过多的内存。看完了之后内部状态的享元模式,下面接着看带有外部状态的享元模式,接下来给不同的方块染上不同的染色:

FlyweightFactory 类:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
public class ExtrinsicStateBoxFactory {

private static class SingletonHolder {
private static final ExtrinsicStateBoxFactory INSTANCE = new ExtrinsicStateBoxFactory();
}

public static final ExtrinsicStateBoxFactory getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}

private static Hashtable<String, ExtrinsicStateBox> sHashtable;

private ExtrinsicStateBoxFactory() {
sHashtable = new Hashtable<>();

ExtrinsicStateBox jBox = new JBox();

sHashtable.put("J", jBox);
}

public ExtrinsicStateBox getBox(String key) {
return sHashtable.get(key);
}
}

ConcreteFlyweight 类:

1
2
3
4
5
6
public class JBox extends ExtrinsicStateBox {
@Override
public String getShape() {
return "J";
}
}

Flyweight 类:

1
2
3
4
5
6
7
public abstract class ExtrinsicStateBox {
public abstract String getShape();

public void display(String color) {
LogUtils.i("方块形状:" + this.getShape() + " 颜色:" + color);
}
}

在调用 display() 的时候传入颜色的外部状态,虽然方块对象还是一个对象,但是它们可以具有不同的颜色

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

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

适用场景

  • 系统中具有大量相同或相似对象
  • 对象大部分状态都可以外部化
  • 享元池耗费一定系统资源,需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式