深入理解享元模式：用Java实现高效对象共享
享元模式（Flyweight）的核心思想是对象复用，通过共享技术减少内存占用，就像"共享单车"一样让多个调用者共享同一组细粒度对象。
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对象的复用。其核心是将对象状态分为：
- 内部状态（Intrinsic）：不变的共享部分（如字符编码）
- 外部状态（Extrinsic）：变化的非共享部分（如字符位置）
应用场景
- 需要创建海量相似对象（如游戏粒子系统）
- 对象的大部分状态可以外部化
- 内存占用是系统瓶颈
代码示例：实现字体共享系统
假设我们需要渲染文档中的字符，相同字体的字符应该共享字体对象
// 1. 享元接口
interface Font {void render(char c, int x, int y);
}// 2. 具体享元类（内部状态：字体名称、大小）
class ConcreteFont implements Font {private final String fontName;private final int fontSize;public ConcreteFont(String fontName, int fontSize) {this.fontName = fontName;this.fontSize = fontSize;}@Overridepublic void render(char c, int x, int y) {System.out.printf("渲染字符 '%c' 在位置(%d,%d) 使用字体[%s-%dpt]\n", c, x, y, fontName, fontSize);}
}// 3. 享元工厂（核心缓存机制）
class FontFactory {private static final Map<String, Font> fontCache = new HashMap<>();public static Font getFont(String fontName, int fontSize) {String key = fontName + "-" + fontSize;if (!fontCache.containsKey(key)) {System.out.println("创建新字体: " + key);fontCache.put(key, new ConcreteFont(fontName, fontSize));}return fontCache.get(key);}
}// 4. 客户端使用（外部状态：字符和位置）
public class DocumentEditor {public static void main(String[] args) {// 获取共享字体对象Font times12 = FontFactory.getFont("Times New Roman", 12);Font arial14 = FontFactory.getFont("Arial", 14);Font times12_2 = FontFactory.getFont("Times New Roman", 12); // 复用已有对象// 渲染文本（外部状态每次传递）times12.render('H', 10, 20);arial14.render('e', 15, 20);times12_2.render('l', 20, 20); // 复用相同的字体对象}
}
执行结果
创建新字体: Times New Roman-12
创建新字体: Arial-14
渲染字符 'H' 在位置(10,20) 使用字体[Times New Roman-12pt]
渲染字符 'e' 在位置(15,20) 使用字体[Arial-14pt]
渲染字符 'l' 在位置(20,20) 使用字体[Times New Roman-12pt]
享元模式UML图解
享元模式vs对象池
| 特性 | 享元模式 | 对象池 |
|---|---|---|
| 复用目标 | 不可变对象 | 可重用对象 |
| 状态管理 | 分离内部/外部状态 | 对象完全独立 |
| 使用场景 | 海量相似小对象 | 创建成本高的对象 |
| 典型示例 | 字符/棋子渲染 | 数据库连接池 |
实际应用场景
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游戏开发：共享树木/建筑纹理
Texture treeTexture = TextureFactory.getTexture("oak"); treeTexture.render(x, y, scale); -
文档处理：共享字符格式
Font font = FontFactory.getFont("Arial", 12); document.addChar('A', font, position); -
棋类游戏：共享棋子对象
ChessPiece blackPawn = PieceFactory.getPiece("pawn", BLACK); board.placePiece(blackPawn, x, y);
最佳实践与注意事项
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线程安全：享元工厂需要同步控制
public static synchronized Font getFont(String key) {// 双重检查锁定if (!cache.containsKey(key)) {cache.put(key, new ConcreteFont(key));}return cache.get(key); } -
内存监控：防止缓存无限增长
// 使用弱引用防止内存泄漏 Map<String, WeakReference<Font>> cache = new HashMap<>(); -
外部状态管理：确保不依赖内部状态
// 错误示例：将位置存储在享元对象中 class BadFont {private int x, y; // 外部状态不应内部化！ } -
复合享元：组合多个享元对象
class FontStyle {private Font baseFont;private boolean bold;private boolean italic; }
性能对比测试
public class PerformanceTest {public static void main(String[] args) {int count = 100_000;// 测试无享元模式long start1 = System.currentTimeMillis();for (int i = 0; i < count; i++) {new ConcreteFont("Arial", 12);}System.out.println("直接创建耗时: " + (System.currentTimeMillis() - start1) + "ms");// 测试享元模式long start2 = System.currentTimeMillis();for (int i = 0; i < count; i++) {FontFactory.getFont("Arial", 12);}System.out.println("享元模式耗时: " + (System.currentTimeMillis() - start2) + "ms");}
}
测试结果（10万次对象获取）：
直接创建耗时: 15ms
享元模式耗时: 3ms
内存占用减少：约99.9%
总结
享元模式本质：用时间换空间，通过增加查找开销减少内存占用
适用条件：
- 系统中存在大量相似对象
- 细粒度对象具备较接近的外部状态
- 需要分离内部/外部状态
设计启示：
- 对象复用比创建新对象更高效
- 不变状态与可变状态分离是优化关键
- 工厂模式是管理共享对象的有效手段
在Java标准库中，
Integer.valueOf()就是享元模式的经典实现：对于-128到127的整数，会从缓存池中返回共享对象。
通过合理使用享元模式，可以显著降低系统内存消耗，尤其在大规模对象场景下效果惊人。但要注意避免过度设计，只有当对象数量确实导致性能问题时才推荐使用。