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在《设计模式与范式 -结构型6.组合模式》讲了组合模式。组合模式并不常用主要用在数据能表示成树形结构、能通过遍历算法来解决问题的场景中。本章再学习一个不那么常用的模式享元模式Flyweight Design Pattern。这也是学习的最后一个结构型模式。
跟其他所有的设计模式类似享元模式的原理和实现也非常简单。今天通过棋牌游戏和文本编辑器两个实际的例子来讲解。此外还会讲到它跟单例、缓存、对象池的区别和联系。在下一节课中还会剖析一下享元模式在 Java Integer、String 中的应用。 享元模式原理与实现
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时不可变对象。
具体来讲当一个系统中存在大量重复对象时如果这些重复对象是不可变对象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出代码引用。这样可以减少内存中对象的数量起到节省内存的作用。实际上不仅仅相同的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抽取出来设计成享元让这些大量相似对象引用这些享元。 不可变对象的指的是一旦通过构造函数初始化完成后它的状态对象的成员变量或者属性就不会被修改了。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出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的代码。
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。棋局要保证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。利用这些数据就能显示一个完整的棋盘给玩家。具体的代码如下所示。其中 ChessPiece 类表示棋子ChessBoard 表示一个棋局里面保存了象棋中 32 个棋子的信息。
public class ChessPiece { // 棋子private int id;private String text;private Color color;private int positionX;private int positionY;public static enum Color {RED, BLACK}// 省略其他属性和getter/setter方法...
}public class ChessBoard {MapInteger, ChessPiece chessPieces new HashMap();public ChessBoard() {this.init();}private void init() {chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, 車, ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));chessPieces.put(2, new ChessPiece(2, 馬, ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));// 省略摆放的其他棋子的代码...}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。
这个时候享元模式就派上用场了。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 都是想通的唯独 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棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示。
public class ChessPieceUnit {private int id;private String text;private Color color;public static enum Color {RED, BLACK}// 省略其他属性和getter方法...
}public class ChessPieceUnitFactory {private static final MapInteger, 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));// 省略其他棋子的代码...}public static ChessPieceUnit getChessPieceUnit(int chessPieceId) {return pieces.get(chessPieceId);}
}public class ChessPiece { // 棋子private ChessPieceUnit chessPieceUnit;private int positionX;private int positionY;public ChessPiece(ChessPieceUnit chessPieceUnit, int positionX, int positionY) {this.chessPieceUnit chessPieceUnit;this.positionX positionX;this.positionY positionY;}// 省略getter/setter方法
}public class ChessBoard {MapInteger, ChessPiece chessPieces new HashMap();public ChessBoard() {this.init();}private void init() {chessPieces.put(1, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPieceUnit(1), 0, 1));chessPieces.put(2, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPieceUnit(2), 0, 1));// 省略摆放的其他棋子的代码...}public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {// ...}
}在上面的代码实现中我们利用工程类来缓存 ChessPieceUnit 信息。通过工厂类获取到的 ChessPieceUnit 就是享元。所有 ChessBoard 对象共享这 32 个 ChessPieceUnit 对象。在使用享元模式之前记录 1 万个棋局要创建 32 万个棋子的 ChessPieceUnit 对象。利用响应模式只需要创建 32 享元对象供所有棋局共享使用大大节省了内存。
那享元模式的原理讲完了来总结下它的代码结构。实际上它的代码结构非常简单主要是通过工厂模式在工厂类中通过一个 Map 来缓存已经创建过的享元对象来达到复用的目的。
享元模式在文本编辑器中的应用
弄懂了享元模式的原理和实现之后再来看另一个例子如何利用享元模式来优化文本编辑器的内存占用
你可以把这里提到的文本编辑器想象成 Office 的 Word。不过为了简化需求背景假设这个文本编辑器只实现文字编辑功能不包含图片、表格等复杂的编辑功能。对于简化之后的文本编辑器我们在内存中表示一个文本文件只需要记录文字和格式两部分信息就可以了其中格式包括字体大小、颜色等信息。
尽管在实际的文档编写中一般都是按照文本类型标题、正文、…来设置文字的格式。但是从理论上讲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设置并且代码实现又不过于复杂我们把每个文字都当做一个独立对象来看待并且在其中包含它的格式信息。具体代码如下所示
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;}
}public class Editor {private ListCharacter 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);}
}在文本编辑器中每敲一个字都会调用 Editor 类中的 appendCharacter() 方法创建一个新的 Character 对象保存到 chars 中。如果一个文件中有上万、几十万的文字那我们就要在内存中存储这么多的 Character 对象。
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。按照这个设计思路对上面的代码进行重构。
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;}Overridepublic boolean equals(Object obj) {CharacterStyle otherStyle (CharacterStyle) obj;return font.equals(otherStyle.font) size otherStyle.size colorRGB otherStyle.colorRGB;}
}public class CharacterStyleFactory {private static final ListCharacterStyle 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 ListCharacter 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);}
}享元 VS 单例、缓存、对象池
上面的讲解中多次提到 “共享” “缓存” “复用” 这些字眼那它和单例、缓存、对象池这些概念有什么区别呢
享元模式和单例的区别
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出代码引用共享。实际上享元模式有点类似与单例的变体多例。
前面也多次提到区别两种设计模式不能光看代码还要看设计意图也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看享元模式和多例有很多相似之处但从设计意图上来看它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用节省内存而应用多例是为了限制对象的个数。
享元模式和缓存的区别
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。我们平时将的缓存主要是为了提高访问效率而非复用。
享元模式和对象池的区别
对象池、连接池、线程池等也是为了复用它们和享元模式有什么区别呢 你可能对连接池、线程池比较熟悉对对象池比较陌生所以这里简单解释下。像 C 这样的编程语言内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地创建与释放导致内存碎片我们可以预先申请一片连续的空间也就是这里所说的对象池。每次创建对象时我们从对象池中取出一个空闲对象来使用对象使用完之后再放回到对象池中以供后续复用而非直接释放掉。 虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用但是如果我们在细致地扣一扣 “复用” 这个字眼的话对象池、连接池、线程池 等池化技术中的 “复用” 和享元模式中的 “复用” 实际上是不同的概念。
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。
总结
1.享元模式的原理
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时不可变对象。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及起到节省内存的目的。
实际上不仅仅相同的对象可以设计成享元对于相似的对象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入这些享元。
2.享元模式的实现
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对象已达到复用的目的。
3.享元模式 VS 单例、缓存、对象池
应用单例是为了保证对象全局唯一。应用享元模式是为了实现对象复用节省内存。缓存是为了提高访问效率而非复用。池化技术中的 “复用” 理解为 “重复使用”主要是为了节省实现。
