享元模式详解

前言

说到享元模式，第一个想到的应该就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，所以说享元模式是池技术的重要实现方式。
比如我们每次创建字符串对象时，都需要创建一个新的字符串对象的话，内存开销会很大，所以如果第一次创建了字符串对象“Garen”，下次再创建相同的字符串“Garen”时，只是把它的引用指向“Garen”，这样就实现了“Garen”字符串再内存中的共享。
举个最简单的例子，网络联机下棋的时候，一台服务器连接了多个客户端（玩家），如果我们每个棋子都要创建对象，那一盘棋可能就有上百个对象产生，玩家多点的话，因为内存空间有限，一台服务器就难以支持了，所以这里要使用享元模式，将棋子对象减少到几个实例。下面给出享元模式的定义。
享元模式（Flyweight），运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。UML结构图如下：

其中，Flyweight是抽象享元角色。它是产品的抽象类，同时定义出对象的外部状态和内部状态（外部状态及内部状态相关内容见后方）的接口或实现；ConcreteFlyweight是具体享元角色，是具体的产品类，实现抽象角色定义的业务；UnsharedConcreteFlyweight是不可共享的享元角色，一般不会出现在享元工厂中；FlyweightFactory是享元工厂，它用于构造一个池容器，同时提供从池中获得对象的方法。

1. Flyweight抽象类

所有具体享元类的超类或接口，通过这个接口，Flyweight可以接受并作用于外部状态。

public abstract class Flyweight {
    //内部状态
    public String intrinsic;
    //外部状态
    protected final String extrinsic;

    //要求享元角色必须接受外部状态
    public Flyweight(String extrinsic) {
        this.extrinsic = extrinsic;
    }

    //定义业务操作
    public abstract void operate(int extrinsic);

    public String getIntrinsic() {
        return intrinsic;
    }

    public void setIntrinsic(String intrinsic) {
        this.intrinsic = intrinsic;
    }
}

2. ConcreteFlyweight类

继承Flyweight超类或实现Flyweight接口，并为其内部状态增加存储空间。

public class ConcreteFlyweight extends Flyweight {
    //接受外部状态
    public ConcreteFlyweight(String extrinsic) {
        super(extrinsic);
    }

    //根据外部状态进行逻辑处理
    @Override
    public void operate(int extrinsic) {
        System.out.println("具体Flyweight:" + extrinsic);
    }
}

3. UnsharedConcreteFlyweight类

指那些不需要共享的Flyweight子类。

public class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight {
    public UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsic) {
        super(extrinsic);
    }

    @Override
    public void operate(int extrinsic) {
        System.out.println("不共享的具体Flyweight:" + extrinsic);
    }
}

4. FlyweightFactory类

一个享元工厂，用来创建并管理Flyweight对象，主要是用来确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例或创建一个实例。

public class FlyweightFactory {
    //定义一个池容器
    private static HashMap<String, Flyweight> pool = new HashMap<>();

    //享元工厂
    public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {
        Flyweight flyweight = null;

        if(pool.containsKey(extrinsic)) {    //池中有该对象
            flyweight = pool.get(extrinsic);
            System.out.print("已有 " + extrinsic + " 直接从池中取---->");
        } else {
            //根据外部状态创建享元对象
            flyweight = new ConcreteFlyweight(extrinsic);
            //放入池中
            pool.put(extrinsic, flyweight);
            System.out.print("创建 " + extrinsic + " 并从池中取出---->");
        }

        return flyweight;
    }
}

5. Client客户端

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        int extrinsic = 22;

        Flyweight flyweightX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");
        flyweightX.operate(++ extrinsic);

        Flyweight flyweightY = FlyweightFactory.getFlyweight("Y");
        flyweightY.operate(++ extrinsic);

        Flyweight flyweightZ = FlyweightFactory.getFlyweight("Z");
        flyweightZ.operate(++ extrinsic);

        Flyweight flyweightReX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");
        flyweightReX.operate(++ extrinsic);

        Flyweight unsharedFlyweight = new UnsharedConcreteFlyweight("X");
        unsharedFlyweight.operate(++ extrinsic);
    }
}

运行结果：

创建X 并从池中取出---->具体Flyweight:23
创建Y 并从池中取出---->具体Flyweight:24
创建Z 并从池中取出---->具体Flyweight:25
已有X 直接从池中取---->具体Flyweight:26
不共享的具体Flyweight:27

内部状态和外部状态

上面享元模式的定义为我们提出了两个要求：细粒度和共享对象。我们知道分配太多的对象到应用程序中将有损程序的性能，同时还容易造成内存溢出，要避免这种情况，用到的就是共享技术，这里就需要提到内部状态和外部状态了。
因为要求细粒度对象，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。
内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部并且不会随环境的改变而改变；外部状态指对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。
我们举一个最简单的例子，棋牌类游戏大家都有玩过吧，比如说说围棋和跳棋，它们都有大量的棋子对象，围棋和五子棋只有黑白两色，跳棋颜色略多一点，但也是不太变化的，所以棋子颜色就是棋子的内部状态；而各个棋子之间的差别就是位置的不同，我们落子嘛，落子颜色是定的，但位置是变化的，所以方位坐标就是棋子的外部状态。
那么为什么这里要用享元模式呢？可以想象一下，上面提到的棋类游戏的例子，比如围棋，理论上有361个空位可以放棋子，常规情况下每盘棋都有可能有两三百个棋子对象产生，因为内存空间有限，一台服务器很难支持更多的玩家玩围棋游戏，如果用享元模式来处理棋子，那么棋子对象就可以减少到只有两个实例，这样就很好的解决了对象的开销问题。