设计模式-09-享元模式

       经典的设计模式有23种，但是常用的设计模式一般情况下不会到一半，我们就针对一些常用的设计模式进行一些详细的讲解和分析，方便大家更加容易理解和使用设计模式。

1-​享元模式原理

       所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。

       具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。

      “不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何set()等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。

2-享元模式代码示例

       需求描述：游戏大厅下象棋，一个游戏厅中有成千上万个“房间”，每个房间对应一个棋局。棋局要保存每个棋子的数据，比如：棋子类型（将、相、士、炮等）、棋子颜色（红方、黑方）、棋子在棋局中的位置。利用这些数据，我们就能显示一个完整的棋盘给玩家。为了记录每个房间当前的棋局情况，我们需要给每个房间都创建一个棋局对象ChessBoard（成员变量：id、text、color、positionX、positionY）。因为游戏大厅中有成千上万的房间（实际上，百万人同时在线的游戏大厅也有很多），那保存这么多棋局对象就会消耗大量的内存。有没有什么办法来节省内存呢？

       如果每个将id、text、color、positionX、positionY设计在一个类中，每次都new一个对象，在内存中会有大量的相似对象 ，相似对象的id、text、color都是相同的（是有限的少的），唯独positionX、positionY不同。实际上，我们可以将棋子的id、text、color属性拆分出来，设计成独立的类，并且作为享元供多个棋盘复用。这样，棋盘只需要记录每个棋子的位置信息就可以了。

// 享元类
public class ChessPieceUnit {
  private int id;
  private String text;
  private Color color;
 
  public ChessPieceUnit(int id, String text, Color color) {
    this.id = id;
    this.text = text;
    this.color = color;
  }
 
  public static enum Color {
    RED, BLACK
  }
 
  // ...省略其他属性和getter方法...
}
 
public class ChessPieceUnitFactory {
  private static final Map pieces = new HashMap<>();
 
  static {
    pieces.put(1, new ChessPieceUnit(1, "車", ChessPieceUnit.Color.BLACK));
    pieces.put(2, new ChessPieceUnit(2,"馬", ChessPieceUnit.Color.BLACK));
    //...省略摆放其他棋子的代码...
  }
 
  public static ChessPieceUnit getChessPiece(int chessPieceId) {
    return pieces.get(chessPieceId);
  }
}
 
public class ChessPiece {
  private ChessPieceUnit chessPieceUnit;
  private int positionX;
  private int positionY;
 
  public ChessPiece(ChessPieceUnit unit, int positionX, int positionY) {
    this.chessPieceUnit = chessPieceUnit;
    this.positionX = positionX;
    this.positionY = positionY;
  }
  // 省略getter、setter方法
}
 
public class ChessBoard {
  private Map chessPieces = new HashMap<>();
 
  public ChessBoard() {
    init();
  }
 
  private void init() {
    chessPieces.put(1, new ChessPiece(
            ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(1), 0,0));
    chessPieces.put(1, new ChessPiece(
            ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(2), 1,0));
    //...省略摆放其他棋子的代码...
  }
 
  public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
    //...省略...
  }
}

       我们利用工厂类来缓存ChessPieceUnit信息（也就是id、text、color）。通过工厂类获取到的ChessPieceUnit就是享元。所有的ChessBoard对象共享这30个ChessPieceUnit对象（因为象棋中只有30个棋子）。在使用享元模式之前，记录1万个棋局，我们要创建30万（30*1万）个棋子的ChessPieceUnit对象。利用享元模式，我们只需要创建30个享元对象供所有棋局共享使用即可，大大节省了内存。

3-享元模式在Integer和String中的应用

       Integer用到了享元模式来复用对象。当我们通过自动装箱，也就是调用valueOf()来创建Integer对象的时候，如果要创建的Integer对象的值在-128到127之间，会从IntegerCache类中直接返回，否则才调用new方法创建。看代码更加清晰一些，Integer类的valueOf()函数的具体代码如下所示：

public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

实际上，这里的IntegerCache相当于，我们上一节课中讲的生成享元对象的工厂类，只不过名字不叫xxxFactory而已。这个类是Integer的内部类。

      String类的享元模式的设计，跟Integer类稍微有些不同。Integer类中要共享的对象，是在类加载的时候，就集中一次性创建好的。但是，对于字符串来说，我们没法事先知道要共享哪些字符串常量，所以没办法事先创建好，只能在某个字符串常量第一次被用到的时候，存储到常量池中，当之后再用到的时候，直接引用常量池中已经存在的即可，就不需要再重新创建了。

4-享元模式vs单例、缓存、对象池

       在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多处代码引用共享。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例模式是为了限制对象的个数。

       在享元模式的实现中，我们通过工厂类来“缓存”已经创建好的对象。这里的“缓存”实际上是“存储”的意思，跟我们平时所说的“数据库缓存”“CPU缓存”“MemCache缓存”是两回事。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。

      池化技术中的“复用”可以理解为“重复使用”，主要目的是节省时间（比如从数据库池中取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。享元模式中的“复用”可以理解为“共享使用”，在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。