当前位置：首页 > news >正文

设计模式--享元模式：优化内存使用的轻量级设计

news 2025/10/10 13:35:48

享元模式：优化内存使用的轻量级设计

今天我们来深入探讨享元模式（Flyweight Pattern），一种结构型设计模式，用于通过共享对象来减少内存使用和提高性能。享元模式将对象的状态分为内在状态（共享）和外在状态（不共享），适用于需要创建大量相似对象的场景。本文将带你实现一个简单的享元模式示例，适合初学者快速上手，同时为有经验的开发者提供进阶建议和优化思路。

享元模式在现实生活中类似共享单车，多个用户共享同一辆车，减少资源浪费。本文使用 Java 语言，通过一个文本渲染系统的场景展示享元模式的实现。让我们开始吧！

前置准备

在开始之前，确保开发环境已就绪：

JDK：推荐 JDK 17（也可使用 JDK 8+）。
IDE：IntelliJ IDEA、Eclipse 或 VS Code，推荐支持 Java 的 IDE。
构建工具：Maven（可选，用于管理依赖）。

项目结构：创建一个简单的 Java 项目，目录如下：

flyweight-pattern-demo
├── src
│   ├── main
│   │   ├── java
│   │   │   └── com.example.flyweight
│   │   │       ├── flyweight
│   │   │       ├── factory
│   │   │       └── Main.java
│   └── test
└── pom.xml

安装环境：

确保 JDK 已安装：java -version.
Maven（可选）：mvn -version.
无需额外依赖，本示例使用纯 Java。

步骤 1: 定义享元接口

享元模式需要一个享元接口，定义共享对象的操作。在 com.example.flyweight.flyweight.Character 中：

package com.example.flyweight.flyweight;public interface Character {void render(String extrinsicState);
}

说明：

Character 是享元接口，定义字符渲染行为，extrinsicState 表示外在状态（如位置）。

步骤 2: 创建具体享元类

实现具体的字符类，存储内在状态（共享）。在 com.example.flyweight.flyweight.ConcreteCharacter 中：

package com.example.flyweight.flyweight;public class ConcreteCharacter implements Character {private final char symbol; // 内在状态，共享private final String font; // 内在状态，共享public ConcreteCharacter(char symbol, String font) {this.symbol = symbol;this.font = font;}@Overridepublic void render(String extrinsicState) {System.out.println("Rendering character '" + symbol + "' in font '" + font + "' at position: " + extrinsicState);}
}

说明：

ConcreteCharacter 存储内在状态（如字符和字体），通过 render 方法结合外在状态（位置）进行渲染。

步骤 3: 创建享元工厂

实现享元工厂，管理共享对象。在 com.example.flyweight.factory.CharacterFactory 中：

package com.example.flyweight.factory;import com.example.flyweight.flyweight.Character;
import com.example.flyweight.flyweight.ConcreteCharacter;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class CharacterFactory {private final Map<String, Character> characters = new HashMap<>();public Character getCharacter(char symbol, String font) {String key = symbol + "_" + font;Character character = characters.get(key);if (character == null) {character = new ConcreteCharacter(symbol, font);characters.put(key, character);System.out.println("Created new character: " + key);}return character;}
}

说明：

CharacterFactory 使用 HashMap 缓存共享对象，避免重复创建。
key 基于内在状态（字符和字体）生成。

步骤 4: 客户端代码

在 com.example.flyweight.Main 中测试享元模式：

package com.example.flyweight;import com.example.flyweight.factory.CharacterFactory;
import com.example.flyweight.flyweight.Character;public class Main {public static void main(String[] args) {CharacterFactory factory = new CharacterFactory();// 渲染多个字符，复用相同的享元对象Character charA1 = factory.getCharacter('A', "Arial");charA1.render("Position (10, 20)");Character charA2 = factory.getCharacter('A', "Arial");charA2.render("Position (30, 40)");Character charB = factory.getCharacter('B', "Times");charB.render("Position (50, 60)");}
}

运行输出：

Created new character: A_Arial
Rendering character 'A' in font 'Arial' at position: Position (10, 20)
Rendering character 'A' in font 'Arial' at position: Position (30, 40)
Created new character: B_Times
Rendering character 'B' in font 'Times' at position: Position (50, 60)

步骤 5: 运行和测试

编译和运行：

在 IDE 中运行 Main 类。

或使用命令行：

javac src/main/java/com/example/flyweight/*.java src/main/java/com/example/flyweight/*/*.java
java com.example.flyweight.Main

测试用例：
- 验证相同字符和字体的对象只创建一次（复用）。
- 验证不同字符或字体创建新对象。
- 检查渲染输出是否正确包含外在状态。
调试技巧：
- 添加日志：使用 System.out 或 SLF4J 记录对象创建和复用。
- 检查缓存：在调试器中验证 characters 映射的大小。
- 异常处理：检查无效输入（如空字体）。

进阶与最佳实践

线程安全：

确保工厂线程安全：

private final Map<String, Character> characters = new ConcurrentHashMap<>();public synchronized Character getCharacter(char symbol, String font) {String key = symbol + "_" + font;return characters.computeIfAbsent(key, k -> {System.out.println("Created new character: " + k);return new ConcreteCharacter(symbol, font);});
}

扩展享元：

添加更多内在状态（如字体大小）：

public class ConcreteCharacter implements Character {private final char symbol;private final String font;private final int fontSize;public ConcreteCharacter(char symbol, String font, int fontSize) {this.symbol = symbol;this.font = font;this.fontSize = fontSize;}@Overridepublic void render(String extrinsicState) {System.out.println("Rendering character '" + symbol + "' in font '" + font + "' size " + fontSize + " at position: " + extrinsicState);}
}

异常处理：

添加输入验证：

public Character getCharacter(char symbol, String font) {if (font == null || font.isEmpty()) {throw new IllegalArgumentException("Font cannot be empty");}// ...
}

测试：

使用 JUnit 编写单元测试：

import org.junit.Test;
import static org.junit.Assert.*;public class CharacterFactoryTest {@Testpublic void testCharacterReuse() {CharacterFactory factory = new CharacterFactory();Character char1 = factory.getCharacter('A', "Arial");Character char2 = factory.getCharacter('A', "Arial");assertSame("Characters should be the same instance", char1, char2);}
}