享元模式（Flyweight Pattern）详解

1. 什么是享元模式？

享元模式是一种结构型设计模式，它通过共享技术有效地支持大量细粒度的对象。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。这种模式的核心思想是共享尽可能多的对象，以减少内存使用和提高性能。

"享元"这个术语源自围棋术语，表示棋子。在围棋中，棋盘上棋子数量有限，但可以组合出千变万化的棋局。享元模式的命名就体现了这种"以少御多"的思想。

2. 为什么需要享元模式？

在以下情况下，享元模式特别有用：

1. 当需要创建大量相似对象时：如果这些对象的大部分状态都可以共享，那么使用享元模式可以显著减少内存消耗
2. 当对象的大部分状态可以设为外部状态时：享元模式将对象的状态分为内部状态（共享）和外部状态（不共享），如果一个对象的大部分状态可以外部化，则可以使用享元模式
3. 当需要维护大量小粒度对象时：如果对象数量太大，使用工厂模式会占用太多内存，这时可以考虑使用享元模式
4. 当对象的身份不重要时：如果应用程序不依赖对象的身份，享元模式会更有效

3. 享元模式的核心概念

享元模式的核心是区分对象的内部状态和外部状态：

• 内部状态（Intrinsic State）：储存在享元对象内部，不会随环境改变而改变的状态，可以共享。例如，字符的字形、字体。
• 外部状态（Extrinsic State）：随环境改变而改变的状态，不可共享。例如，字符的位置、字号。

享元对象由内部状态唯一标识，并存储在享元池中以便复用。而外部状态则在使用时由客户端传入。

4. 享元模式的结构

享元模式通常包含以下角色：

1. 享元接口（Flyweight）：定义了享元类的公共方法，通过这些方法可以接受并作用于外部状态
2. 具体享元（Concrete Flyweight）：实现享元接口，存储内部状态
3. 非共享具体享元（Unshared Concrete Flyweight）：不被共享的享元实现类
4. 享元工厂（Flyweight Factory）：负责创建和管理享元对象，确保共享享元对象
5. 客户端（Client）：维护对享元的引用，计算或存储享元的外部状态

5. 享元模式的基本实现

5.1 基础示例：字符格式化系统

假设我们正在开发一个文本编辑器，需要表示大量的字符及其格式。每个字符都有字体、大小、颜色等属性。如果为每个字符创建单独的对象，将会消耗大量内存。我们可以使用享元模式来优化。

首先，定义享元接口：

// 字符享元接口
public interface CharacterFlyweight {// 操作方法，接收外部状态void display(int fontSize, int x, int y);// 获取内部状态char getCharacter();
}

然后，实现具体享元类：

// 具体享元类
public class ConcreteCharacter implements CharacterFlyweight {// 内部状态private final char character;private final String fontFamily;private final int style; // 0=普通, 1=粗体, 2=斜体, 3=粗斜体public ConcreteCharacter(char character, String fontFamily, int style) {this.character = character;this.fontFamily = fontFamily;this.style = style;// 模拟对象创建的开销System.out.println("创建字符对象: " + character + ", 字体: " + fontFamily + ", 样式: " + style);}@Overridepublic void display(int fontSize, int x, int y) {// 使用内部状态和外部状态显示字符System.out.println("显示字符: " + character +", 字体: " + fontFamily +", 样式: " + convertStyleToString(style) +", 大小: " + fontSize +", 位置: (" + x + ", " + y + ")");}@Overridepublic char getCharacter() {return character;}private String convertStyleToString(int style) {switch (style) {case 0: return "普通";case 1: return "粗体";case 2: return "斜体";case 3: return "粗斜体";default: return "未知";}}
}

接下来，创建享元工厂：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;// 享元工厂
public class CharacterFlyweightFactory {private static final Map<String, CharacterFlyweight> flyweights = new HashMap<>();// 获取享元对象，如果不存在就创建一个新的public static CharacterFlyweight getCharacter(char character, String fontFamily, int style) {// 创建键String key = character + "_" + fontFamily + "_" + style;// 检查是否存在if (!flyweights.containsKey(key)) {flyweights.put(key, new ConcreteCharacter(character, fontFamily, style));}return flyweights.get(key);}// 获取池中对象数量public static int getFlyweightCount() {return flyweights.size();}
}

最后，客户端代码：

public class FlyweightPatternDemo {public static void main(String[] args) {// 使用享元模式显示一段文本String text = "Hello, Flyweight Pattern!";// 对每个字符应用不同的外部状态for (int i = 0; i < text.length