JAVA：享元模式（Flyweight Pattern）的技术指南

1、简述

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象来减少内存的使用和对象的创建，从而提高程序的性能。

设计模式样例：https://gitee.com/lhdxhl/design-pattern-example.git

---

2、什么是享元模式

享元模式通过共享对象来支持大量细粒度对象的复用，避免对象的大量创建。它通过将可共享的状态外部化，把内在状态封装到享元对象中，从而让同一对象可以被多个上下文环境共享。

享元模式的优点：

• 节省内存：通过共享对象，避免创建大量相似的对象。
• 提升性能：减少对象创建和销毁的开销，优化系统性能。
• 分离状态：将对象的内在状态和外部状态分离，增强了灵活性。

---

3、实际案例

假设我们要实现一个绘图应用，其中有许多相同颜色和形状的图形。如果为每个图形单独创建对象，会导致内存浪费。通过享元模式，我们可以复用相同颜色的图形对象。

// 抽象享元类
public interface Shape {
    void draw(String extrinsicState);
}

// 具体享元类
public class Circle implements Shape {
    private String color; // 内在状态

    public Circle(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw(String extrinsicState) {
        System.out.println("Drawing Circle: Color = " + color + ", Extrinsic State = " + extrinsicState);
    }
}

// 享元工厂类
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class ShapeFactory {
    private static final Map<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();

    public static Shape getCircle(String color) {
        Shape circle = circleMap.get(color);
        if (circle == null) {
            circle = new Circle(color);
            circleMap.put(color, circle);
            System.out.println("Creating new Circle of color: " + color);
        }
        return circle;
    }
}

// 测试代码
public class FlyweightPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Shape circle1 = ShapeFactory.getCircle("Red");
        circle1.draw("Radius = 5");

        Shape circle2 = ShapeFactory.getCircle("Blue");
        circle2.draw("Radius = 10");

        Shape circle3 = ShapeFactory.getCircle("Red");
        circle3.draw("Radius = 15");

        Shape circle4 = ShapeFactory.getCircle("Blue");
        circle4.draw("Radius = 20");
    }
}

输出结果

Creating new Circle of color: Red
Drawing Circle: Color = Red, Extrinsic State = Radius = 5
Creating new Circle of color: Blue
Drawing Circle: Color = Blue, Extrinsic State = Radius = 10
Drawing Circle: Color = Red, Extrinsic State = Radius = 15
Drawing Circle: Color = Blue, Extrinsic State = Radius = 20

---

4、应用场景

• 文本编辑器：在文本编辑器中，字符对象可以被共享，相同的字符只需创建一个对象。
• 游戏开发：例如子弹、敌人模型等可以使用享元模式来复用相同的对象。
• 数据库连接池：数据库连接池复用了相同的数据库连接。
• 缓存系统：共享缓存对象来减少内存使用。

实际案例：文本编辑器

在文本编辑器中，每个字符的格式（字体、大小、颜色等）可能是相同的，而字符本身的内容是不同的。通过享元模式，我们可以复用格式对象。

// 抽象享元类
public interface Font {
    void apply(String content);
}

// 具体享元类
public class FontImpl implements Font {
    private String fontName;
    private int fontSize;

    public FontImpl(String fontName, int fontSize) {
        this.fontName = fontName;
        this.fontSize = fontSize;
    }

    @Override
    public void apply(String content) {
        System.out.println("Applying Font: Name = " + fontName + ", Size = " + fontSize + ", Content = " + content);
    }
}

// 享元工厂类
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class FontFactory {
    private static final Map<String, Font> fontMap = new HashMap<>();

    public static Font getFont(String fontName, int fontSize) {
        String key = fontName + fontSize;
        Font font = fontMap.get(key);
        if (font == null) {
            font = new FontImpl(fontName, fontSize);
            fontMap.put(key, font);
            System.out.println("Creating new Font: " + key);
        }
        return font;
    }
}

// 测试代码
public class TextEditorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Font font1 = FontFactory.getFont("Arial", 12);
        font1.apply("Hello");

        Font font2 = FontFactory.getFont("Arial", 12);
        font2.apply("World");

        Font font3 = FontFactory.getFont("Times New Roman", 14);
        font3.apply("Flyweight Pattern");
    }
}

输出结果

Creating new Font: Arial12
Applying Font: Name = Arial, Size = 12, Content = Hello
Applying Font: Name = Arial, Size = 12, Content = World
Creating new Font: Times New Roman14
Applying Font: Name = Times New Roman, Size = 14, Content = Flyweight Pattern

---

5、总结

享元模式通过共享对象的方式，显著减少了系统中对象的数量，提高了内存的利用率。在实际开发中，尤其是需要创建大量相似对象的场景，享元模式是一种有效的优化策略。