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Java设计模式-享元模式

news 2025/8/22 11:46:54

Java设计模式-享元模式

模式概述

享元模式简介

核心思想：通过共享技术高效地支持大量细粒度对象的复用，将对象的公共状态（内部状态）与私有状态（外部状态）分离，仅创建一次公共状态的对象，私有状态在使用时动态传入，从而减少内存占用并提升性能。

模式类型：结构型设计模式（关注对象的组成与复用）。

作用：

减少内存消耗：通过共享重复对象，避免大量相似对象的重复创建。
提升系统性能：降低对象创建/销毁的开销，减少垃圾回收压力。
简化对象管理：通过工厂类集中管理共享对象，统一控制对象的生命周期。

典型应用场景：

文本编辑器/IDE中的字符对象（如Word中大量重复的字母“a”，仅存储一份字符编码，位置、颜色等动态传入）。
游戏开发中的粒子系统（如大量相同属性的子弹、火花，共享基础属性，位置、速度等动态计算）。
数据库连接池（复用已创建的数据库连接，避免频繁创建/关闭连接的开销）。
缓存系统（如Guava Cache，通过共享缓存对象减少重复计算）。

我认为：享元模式是“对象复用”的经典实践，用空间换时间（或用共享换内存），让大量相似对象“共用一张脸，各自有不同的姿态”。

课程目标

理解享元模式的核心思想和经典应用场景
识别应用场景，使用享元模式解决功能要求
了解享元模式的优缺点

核心组件

角色-职责表

角色	职责	示例类名
抽象享元角色（Flyweight）	定义享元对象的公共接口，声明操作外部状态的方法	`Character`
具体享元角色（ConcreteFlyweight）	实现抽象接口，存储内部状态（不可变），依赖外部状态完成操作	`ConcreteCharacter`
非共享享元角色（UnsharedFlyweight）	不可共享的享元对象（特殊场景使用，如需要个性化配置的对象）	`SpecialCharacter`
享元工厂（FlyweightFactory）	管理享元对象的创建与共享，确保相同内部状态的对象仅创建一次	`CharacterFactory`

类图

下面是一个简化的类图表示，展示了享元模式中的主要角色及其交互方式：

传统实现 VS 享元模式

案例需求

案例背景：实现一个文本编辑器的基础字符显示功能，要求支持大量字符（如字母、数字）的显示，每个字符需记录其编码（如’A’、‘1’）和位置（行号、列号）。

传统实现（痛点版）

代码实现：

// 传统实现：每个字符独立创建对象
class Character {private String code;  // 字符编码（如'A'）private int row;      // 行号（外部状态）private int col;      // 列号（外部状态）public Character(String code, int row, int col) {this.code = code;this.row = row;this.col = col;}public void display() {System.out.printf("字符：%s，位置：(%d,%d)%n", code, row, col);}
}// 使用示例：创建10000个'A'字符
public class Client {public static void main(String[] args) {List<Character> characters = new ArrayList<>();// 创建10000个'A'，每个都是独立对象（内存浪费）for (int i = 0; i < 10000; i++) {characters.add(new Character("A", i / 100, i % 100)); }// 显示所有字符characters.forEach(Character::display);}
}

痛点总结：

内存浪费严重：10000个’A’字符被创建为10000个独立对象，但它们的code字段完全相同（仅row和col不同）。
性能低下：大量对象创建/销毁增加GC压力，尤其在高频操作（如文本输入）时可能导致卡顿。
管理复杂：无法统一控制字符对象的生命周期（如批量回收或修改共享属性）。

享元模式实现（优雅版）

代码实现：

// 1. 抽象享元角色：定义字符的公共接口
interface FlyweightCharacter {void display(int row, int col);  // 显示方法（接收外部状态：行、列）
}// 2. 具体享元角色：实现字符的共享逻辑（内部状态：code）
class ConcreteCharacter implements FlyweightCharacter {private final String code;  // 内部状态（不可变，线程安全）public ConcreteCharacter(String code) {this.code = code;}@Overridepublic void display(int row, int col) {System.out.printf("字符：%s，位置：(%d,%d)%n", code, row, col);}
}// 3. 享元工厂：管理字符对象的共享（单例模式）
class CharacterFactory {private static final CharacterFactory INSTANCE = new CharacterFactory();private final Map<String, FlyweightCharacter> pool = new HashMap<>();  // 缓存池（code→字符对象）private CharacterFactory() {}  // 私有构造public static CharacterFactory getInstance() {return INSTANCE;}// 获取或创建字符对象（关键：仅当code不存在时新建）public FlyweightCharacter getCharacter(String code) {if (!pool.containsKey(code)) {pool.put(code, new ConcreteCharacter(code));  // 仅创建一次}return pool.get(code);}// 统计缓存大小（用于验证共享效果）public int poolSize() {return pool.size();}
}// 4. 使用示例：通过工厂获取共享字符对象
public class Client {public static void main(String[] args) {// 创建10000个'A'字符（实际仅创建1个对象）List<FlyweightCharacter> characters = new ArrayList<>();FlyweightCharacter aChar = CharacterFactory.getInstance().getCharacter("A");for (int i = 0; i < 10000; i++) {characters.add(aChar);  // 直接复用共享对象}// 显示所有字符（外部状态：行、列动态传入）characters.forEach(charObj -> charObj.display(i / 100, i % 100)  // 注意：此处i需替换为实际循环变量);// 验证共享效果：字符池仅1个对象System.out.println("字符池大小：" + CharacterFactory.getInstance().poolSize());  // 输出：1}
}

优势：

内存占用骤降：10000个’A’字符仅创建1个ConcreteCharacter对象，内存节省99.99%。
性能提升：避免了大量对象的创建/销毁开销，GC压力显著降低。
易于管理：通过工厂类统一控制字符对象的生命周期（如后续可扩展支持字符样式的批量修改）。

局限：

状态分离复杂度：需明确区分内部状态（不可变）和外部状态（动态传入），设计不当可能导致逻辑混乱。
线程安全问题：若工厂类非线程安全（如使用普通HashMap），多线程并发获取对象时可能导致数据不一致（可通过ConcurrentHashMap解决）。
过度共享风险：若对象的外部状态过多或变化频繁，可能导致方法参数膨胀，降低代码可读性。

模式变体

线程安全享元工厂：使用ConcurrentHashMap作为缓存池，或在工厂方法中添加同步锁，确保多线程环境下对象共享的安全性。
带缓存的享元工厂：结合LRU（最近最少使用）淘汰策略，限制缓存池大小，避免内存溢出（适用于对象数量极多的场景）。
复合享元模式：将多个简单享元对象组合成复合享元（如“单词”由多个字符组成），支持更复杂的对象复用（如文本编辑器中的单词级共享）。
临时享元：支持设置享元对象的过期时间（如缓存中的临时字符样式），自动回收失效对象（结合定时任务或弱引用实现）。

最佳实践

建议	理由
明确区分内部状态与外部状态	内部状态（如字符编码）需不可变且与上下文无关，外部状态（如位置）需动态传入，否则无法共享。
工厂类使用单例模式	确保全局仅一个缓存池实例，避免重复创建导致共享失效。
限制外部状态的数量	外部状态过多会导致方法参数复杂，降低代码可维护性（建议不超过3个）。
对性能敏感场景预加载	提前将高频使用的享元对象（如常用字符）加载到工厂池中，避免运行时动态创建。
添加监控与日志	记录缓存池的命中次数、内存占用等指标，便于优化共享策略（如调整缓存大小）。