结构型——享元模式

什么是享元模式

享元模式的定义

享元模式定义为：通过共享技术来实现细粒度对象的复用。“享”即共享，“元”即对象，通过复用一些共享对象，避免创建大量重复对象，减小内存开销。 享元模式的本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

享元模式尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，则创建新对象。 比如对于Circle对象，有5种不同的颜色，如果需要50个Circle实例。如果不使用享元模式，我们需要创建50个对象。但是如果使用享元模式，可以创建一个Map，key为颜色，value为Circle实例，需要什么颜色的circle就去map里面取，这样最多只需要创建5个对象即可。

享元模式的结构

享元模式的定义提出了两个要求，细粒度和共享对象。因为要求细粒度，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，存储在享元信息内部，并且不回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，随环境的改变而改变，不可共享。

比如，连接池中的连接对象，保存在连接对象中的用户名、密码、连接URL等信息，在创建对象的时候就设置好了，不会随环境的改变而改变，这些为内部状态。而当每个连接要被回收利用时，我们需要将它标记为可用状态，这些为外部状态。

享元模式的主要角色有如下。

1. 抽象享元角色（Flyweight）：是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入。
2. 具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。
3. 非享元（Unsharable Flyweight)角色：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中。
4. 享元工厂（Flyweight Factory）角色：负责创建和管理享元角色。当客户对象请求一个享元对象时，享元工厂检査系统中是否存在符合要求的享元对象，如果存在则提供给客户；如果不存在的话，则创建一个新的享元对象。

上图是享元模式的结构图，其中：

• UnsharedConcreteFlyweight 是非享元角色，里面包含了非共享的外部状态信息 info；
• Flyweight 是抽象享元角色，里面包含了享元方法 operation(UnsharedConcreteFlyweight state)，非享元的外部状态以参数的形式通过该方法传入；
• ConcreteFlyweight 是具体享元角色，包含了关键字 key，它实现了抽象享元接口；
• FlyweightFactory 是享元工厂角色，它是关键字 key 来管理具体享元；
• 客户角色通过享元工厂获取具体享元，并访问具体享元的相关方法。

享元模式有啥用

• 优缺点
  • 优点：对象复用，节约内存；
  • 缺点：增加代码复杂性，需要将对象拆成共享和非共享两部分；牺牲一定速度， 读取享元模式的外部状态 时间变长。
• 应用场景
  • 程序需要生成数量巨大的相似对象，并消耗巨大内存；
  • 这些相似对象可以提炼出一些不变的共享信息；
  • 由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，如HashMap，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式。
• 应用示例
  • Java中的字符串缓存池、Integer的缓存等。
  • 数据库中的连接池。

享元模式的应用

下面实例来自这里。

【例1】享元模式在五子棋游戏中的应用。
分析：五子棋同围棋一样，包含多个“黑”或“白”颜色的棋子，所以用享元模式比较好。

• 棋子（ChessPieces）类是抽象享元角色，它包含了一个落子的 DownPieces(Graphics g,Point pt) 方法；
• 白子（WhitePieces）和黑子（BlackPieces）类是具体享元角色，它实现了落子方法；
• Point 是非享元角色，它指定了落子的位置；
• WeiqiFactory 是享元工厂角色，它通过 ArrayList 来管理棋子，并且提供了获取白子或者黑子的 getChessPieces(String type) 方法；
• 客户类（Chessboard）利用 Graphics 组件在框架窗体中绘制一个棋盘，并实现 mouseClicked(MouseEvent e) 事件处理方法，该方法根据用户的选择从享元工厂中获取白子或者黑子并落在棋盘上。

其结构图如下：

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.MouseAdapter;
import java.awt.event.MouseEvent;
import java.util.ArrayList;

public class WzqGame {
    public static void main(String[] args) {
        new Chessboard();
    }
}
//棋盘
class Chessboard extends MouseAdapter {
    WeiqiFactory wf;
    JFrame f;
    Graphics g;
    JRadioButton wz;
    JRadioButton bz;
    private final int x = 50;
    private final int y = 50;
    private final int w = 40;    //小方格宽度和高度
    private final int rw = 400;    //棋盘宽度和高度

    Chessboard() {
        wf = new WeiqiFactory();
        f = new JFrame("享元模式在五子棋游戏中的应用");
        f.setBounds(100, 100, 500, 550);
        f.setVisible(true);
        f.setResizable(false);
        f.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        JPanel SouthJP = new JPanel();
        f.add("South", SouthJP);
        wz = new JRadioButton("白子");
        bz = new JRadioButton("黑子", true);
        ButtonGroup group = new ButtonGroup();
        group.add(wz);
        group.add(bz);
        SouthJP.add(wz);
        SouthJP.add(bz);
        JPanel CenterJP = new JPanel();
        CenterJP.setLayout(null);
        CenterJP.setSize(500, 500);
        CenterJP.addMouseListener(this);
        f.add("Center", CenterJP);
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        g = CenterJP.getGraphics();
        g.setColor(Color.BLUE);
        g.drawRect(x, y, rw, rw);
        for (int i = 1; i < 10; i++) {
            //绘制第i条竖直线
            g.drawLine(x + (i * w), y, x + (i * w), y + rw);
            //绘制第i条水平线
            g.drawLine(x, y + (i * w), x + rw, y + (i * w));
        }
    }

    public void mouseClicked(MouseEvent e) {
        Point pt = new Point(e.getX() - 15, e.getY() - 15);
        if (wz.isSelected()) {
            ChessPieces c1 = wf.getChessPieces("w");
            c1.DownPieces(g, pt);
        } else if (bz.isSelected()) {
            ChessPieces c2 = wf.getChessPieces("b");
            c2.DownPieces(g, pt);
        }
    }
}

//抽象享元角色：棋子
interface ChessPieces {
    public void DownPieces(Graphics g, Point pt);    //下子
}

//具体享元角色：白子
class WhitePieces implements ChessPieces {
    public void DownPieces(Graphics g, Point pt) {
        g.setColor(Color.WHITE);
        g.fillOval(pt.x, pt.y, 30, 30);
    }
}

//具体享元角色：黑子
class BlackPieces implements ChessPieces {
    public void DownPieces(Graphics g, Point pt) {
        g.setColor(Color.BLACK);
        g.fillOval(pt.x, pt.y, 30, 30);
    }
}

//享元工厂角色
class WeiqiFactory {
    private ArrayList<ChessPieces> qz;

    public WeiqiFactory() {
        qz = new ArrayList<ChessPieces>();
        ChessPieces w = new WhitePieces();
        qz.add(w);
        ChessPieces b = new BlackPieces();
        qz.add(b);
    }

    public ChessPieces getChessPieces(String type) {
        if (type.equalsIgnoreCase("w")) {
            return (ChessPieces) qz.get(0);
        } else if (type.equalsIgnoreCase("b")) {
            return (ChessPieces) qz.get(1);
        } else {
            return null;
        }
    }
}

参考资料

1. http://c.biancheng.net/view/1371.html
2. https://www.runoob.com/design-pattern/flyweight-pattern.html

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