原创

设计模式基础(十一)——享元模式

享元模式(Flyweight Design Pattern),是一种结构型模式。所谓“享元”,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。

一、基本原理

我们通过两个简单的示例来讲解下享元模式。

1.1 示例一:象棋

假设我们在开发一个棋牌游戏(比如象棋)。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。具体的代码如下所示:

//棋子
public class ChessPiece {
  private int id;
  private String text;
  private Color color;
  private int positionX;
  private int positionY;

  public ChessPiece(int id, String text, Color color, int positionX, int positionY) {
    this.id = id;
    this.text = text;
    this.color = color;
    this.positionX = positionX;
    this.positionY = positionX;
  }

  public static enum Color {
    RED, BLACK
  }

  //...
}
//棋局,里面保存了象棋中 30 个棋子的信息
public class ChessBoard {
  private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();

  public ChessBoard() {
    init();
  }

  private void init() {
    chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0));
    chessPieces.put(2, new ChessPiece(2,"馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));
    //...
  }

  public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
    //...
  }
}

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 ChessBoard 棋局对象。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?

这个时候,享元模式就可以派上用场了。像刚刚的实现方式,在内存中会有大量的相似对象,这些对象的 id、text、color 都是相同的,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
  }
}

public class ChessPieceUnitFactory {
  private static final Map<Integer, ChessPieceUnit> 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 = unit;
    this.positionX = positionX;
    this.positionY = positionY;
  }
}

public class ChessBoard {
  private Map<Integer, ChessPiece> 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) {
    //...
  }
}

在上面的代码实现中,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。

1.2 示例二:文本编辑器

假设我们有一个文本编辑器,简化起见,假设这个文本编辑器只实现了文字编辑功能,不包含图片、表格等复杂的编辑功能。我们要在内存中表示一个文本文件,记录文字和格式两部分信息,格式包括文字的字体、大小、颜色等信息。

理论上,我们可以给文本文件中的每个文字都设置不同的格式。为了实现如此灵活的格式设置,并且代码实现又不过于太复杂,我们把每个文字都当作一个独立的对象来看待,并且在其中包含它的格式信息。

//文字
public class Character {
  private char c;

  private Font font;
  private int size;
  private int colorRGB;

  public Character(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
    this.c = c;
    this.font = font;
    this.size = size;
    this.colorRGB = colorRGB;
  }
}

在文本编辑器中,我们每敲一个文字,都会调用 Editor 类中的 appendCharacter() 方法,创建一个新的 Character 对象,保存到 chars 数组中:

public class Editor {
  private List<Character> chars = new ArrayList<>();

  public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
    Character character = new Character(c, font, size, colorRGB);
    chars.add(character);
  }
}

如果一个文本文件中,有上万、十几万、几十万的文字,那我们就要在内存中存储这么多 Character 对象。那有没有办法可以节省一点内存呢?

实际上,在一个文本文件中,用到的字体格式不会太多,毕竟不大可能有人把每个文字都设置成不同的格式。所以,对于字体格式,我们可以将它设计成享元,让不同的文字共享使用。按照这个设计思路,我们对上面的代码进行重构。重构后的代码如下所示:

public class CharacterStyle {
  private Font font;
  private int size;
  private int colorRGB;

  public CharacterStyle(Font font, int size, int colorRGB) {
    this.font = font;
    this.size = size;
    this.colorRGB = colorRGB;
  }

  @Override
  public boolean equals(Object o) {
    CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) o;
    return font.equals(otherStyle.font)
            && size == otherStyle.size
            && colorRGB == otherStyle.colorRGB;
  }
}

public class CharacterStyleFactory {
  private static final List<CharacterStyle> styles = new ArrayList<>();

  public static CharacterStyle getStyle(Font font, int size, int colorRGB) {
    CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font, size, colorRGB);
    for (CharacterStyle style : styles) {
      if (style.equals(newStyle)) {
        return style;
      }
    }
    styles.add(newStyle);
    return newStyle;
  }
}

public class Character {
  private char c;
  private CharacterStyle style;

  public Character(char c, CharacterStyle style) {
    this.c = c;
    this.style = style;
  }
}

public class Editor {
  private List<Character> chars = new ArrayList<>();

  public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
    Character character = new Character(c, CharacterStyleFactory.getStyle(font, size, colorRGB));
    chars.add(character);
  }
}

二、应用场景

通过上面的这两个例子,可以看出,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。应用享元模式是为了对象复用,节省内存。

享元模式在 Java Integer、String 中有所应用。

2.1 Java Integer

我们先来看下面这样一段代码,可以先思考下,这段代码会输出什么样的结果?

Integer i1 = 56;
Integer i2 = 56;
Integer i3 = 129;
Integer i4 = 129;
System.out.println(i1 == i2);        // 正确答案:true
System.out.println(i3 == i4);        // 正确答案:false

Java 为基本数据类型提供了对应的包装器类型,当我们像下面这样赋值时,会自动进行拆装箱:

Integer i = 56; //自动装箱,底层执行了 Integer i = Integer.valueOf(59);
int j = i; //自动拆箱,底层执行了 int j = i.intValue();

当我们通过“==”来判定两个对象是否相等的时候,实际上是在判断两个局部变量存储的地址是否相同,换句话说,是在判断两个局部变量是否指向相同的对象。

我们最初的代码,前 4 行赋值语句都会触发自动装箱操作,也就是会创建 Integer 对象并且赋值给 i1、i2、i3、i4 这四个变量。根据刚刚的讲解,i1、i2 尽管存储的数值相同,但是指向不同的内存对象,所以通过==来判定是否相同的时候,应该会返回 false。同理,i3==i4判定语句也会返回 false。

但是 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:

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

这里的 IntegerCache ,相当于我们上一节两个示例中用于生成享元对象的工厂类。

所以,真相大白了,因为 56 处于 -128 和 127 之间,i1 和 i2 会指向相同的享元对象,所以 i1==i2 返回 true;而 129 大于 127,并不会被缓存,每次都会创建一个全新的对象,也就是说,i3 和 i4 指向不同的 Integer 对象,所以i3==i4 返回 false。

实际上,除了 Integer 类型之外,其他包装器类型,比如 Long、Short、Byte 等,也都利用了享元模式来缓存 -128 到 127 之间的数据。

2.2 Java String

我们再来看下,享元模式在 Java String 类中的应用。同样,还是先来看一段代码,这段代码会输出什么样的结果?

String s1 = "dog";
String s2 = "dog";
String s3 = new String("dog");

System.out.println(s1 == s2);    // 正确答案:true
System.out.println(s1 == s3);    // 正确答案:false

跟 Integer 类的设计思路相似,String 类利用享元模式来复用相同的字符串常量。JVM 会专门开辟一块存储区来存储字符串常量,这块存储区叫作“字符串常量池”。上面代码对应的内存存储结构如下所示:



不过,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。

三、总结

享元模式的代码实现非常简单,主要是通过工厂模式,在工厂类中,通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建好的享元对象,以达到复用的目的。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,以起到节省内存的目的。

但是,我们必须清楚享元模式对 JVM 的垃圾回收并不友好。因为享元工厂类一直保存了对享元对象的引用,这就导致享元对象在没有任何代码使用的情况下,也并不会被 JVM 垃圾回收机制自动回收掉(当前我们也可以使用weak reference持有享元对象,这样在JVM内存不足时,对象就会被回收)。

如果对象的生命周期很短,也不会被密集使用,利用享元模式反倒可能会浪费更多的内存。所以,除非经过线上验证,利用享元模式真的可以大大节省内存,否则,就不要过度使用这个模式,为了一点点内存的节省而引入一个复杂的设计模式,得不偿失。

正文到此结束
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