一文搞懂设计模式—享元模式
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当系统中存在大量相似对象时,每个对象都需要占用一定的内存空间,如果这些对象的大部分属性是相同的,那么频繁创建这些对象会导致内存消耗过大。享元模式将这些相同部分抽取出来作为共享的内部状态,在需要时进行共享,从而减少内存占用。
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最大化内存利用和性能提升,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。
使用场景
当系统中存在大量相似对象且造成了内存浪费时,可以考虑使用享元模式。
对象的状态可以外部化,并且剥离出共享部分和特有部分。
需要缓冲池的场景。
享元模式在对象池中的使用是一种常见的场景,通过对象池管理和复用对象实例,可以提高系统性能和资源利用率。对象池通常用于缓存、连接池等场景,其中对象的创建成本较高或者频繁创建销毁会影响性能时,对象池就显得尤为重要。
在 Java 中,String 类的 intern()
方法是享元模式的一个应用。intern()
方法返回字符串对象的规范化表示形式,即返回字符串池中与调用字符串等效的字符串。如果字符串池中已经存在等效的字符串,则返回该字符串;否则,将此字符串添加到字符串池中,并返回新的字符串引用。
下面是一个示例代码,演示了 String 类的 intern()
方法的应用:
在上述示例中,str1
和 str2
是两个不同的字符串对象,尽管它们的值相同,但由于 str2
使用了 new String()
构造方法创建,在堆内存中会生成一个新的对象。而通过调用 intern()
方法后,str3
返回的是字符串池中已存在的字符串对象,因此 str1
和 str3
指向的是同一个对象,所以输出结果为 "str1 == str3: true"
。这就是 intern()
方法的享元模式应用,避免了重复创建相同的字符串对象,节省了内存空间。
具体实现
享元模式包含以下几个角色:
抽象享元(Flyweight): 定义了享元对象的外部状态和内部状态,通过这个抽象类可以接受并作用于外部状态。
具体享元(Concrete Flyweight): 继承了抽象享元类,包含内部状态和外部状态。具体享元对象需要确保内部状态是可以共享的,同时提供操作外部状态的方法。
非共享具体享元(Unshared Concrete Flyweight): 与共享具体享元相对应,非共享具体享元是不能被共享的享元对象,通常是在具体享元中无法共享的情况下使用。
享元工厂(Flyweight Factory): 负责创建和管理享元对象,在请求时返回已经创建的享元对象实例或者新创建一个享元对象。享元工厂通常会维护一个享元池用于存储已经创建的享元对象。
在享元模式中,核心在于区分内部状态和外部状态。内部状态是可以共享的部分,而外部状态是对象的非共享部分。
内部状态(Intrinsic State): 内部状态是享元对象固有的、可以共享的状态,它存储在享元对象内部并且不会随着外部环境的变化而改变。内部状态可以被多个享元对象共享,因此通常将其设计为不可变的属性。内部状态对于享元对象的具体实现是必需的,但不会随着外部环境的变化而改变。
外部状态(Extrinsic State): 外部状态是享元对象的可变部分,它随着外部环境的变化而变化,需要通过客户端传入享元对象来进行处理。外部状态并不影响享元对象的内部结构或行为,它只是作为享元对象行为的参数或上下文信息传入。外部状态具有固化特性,不应该随内部状态改变而改变,否则导致系统的逻辑混乱。
通过区分内部状态和外部状态,享元模式实现了将对象的共享部分和变化部分分离的目的,有效地减少了系统中重复对象的数量,提高了系统的性能和资源利用率。内部状态是享元对象本身的属性,而外部状态则是根据具体情况动态变化的参数。
实现步骤和示例代码如下:
1.首先定义抽象享元角色。
抽象享元角色一般为抽象类,它是描述一类事物的方法。
2.具体享元角色。
具体享元角色实现自己的业务逻辑,然后接收外部状态,以便内部业务逻辑对外部状态的依赖。
3.享元工厂。
4.客户端调用
可以发现对象打印的 hashCode 一致,说明对象得到了复用。
Tips:外部状态最好以 Java 的基本类型作为标志,如 String、int 等,可以大幅地提升效率。如果使用自己编写的类作为外部状态,则必须覆写 equals 方法和 hashCode 方法,否则会出现通过键值搜索失败的情况,例如 map.get(object)、map.contains(object)等会返回失败的结果。
线程安全问题
享元模式在多线程环境下可能存在线程安全问题,主要原因是享元对象的内部状态和外部状态被多个线程共享和修改,可能导致数据竞争和不一致性。具体来说,如果多个线程同时尝试修改同一个享元对象的外部状态,就会引发线程安全问题。
下面是示例代码:
这段代码展示了多线程环境下使用享元模式的示例。在 main
方法中,通过循环创建了 10 个线程,在每个线程中尝试获取表示 "hello world" 的享元对象,并比较两个获取的对象是否相等。
可以观察到输出中存在 false,说明对象不一样了,存在线程安全问题。
要想实现线程安全,需要对享元工厂类稍加改造,代码如下:
这样就解决了线程安全问题,不过性能上会有所降低,在需要的地方考虑一下线程安全即可,在大部分的场景下都不用考虑。
总结
享元模式通过共享相似对象来减少内存消耗,提高系统性能。它适用于存在大量相似对象且造成内存浪费的场景,但需要注意对内部状态和外部状态的管理。合理应用享元模式可以有效优化系统架构,提升性能。
优点
大幅减少内存使用,提高系统性能,实现了对象的复用,节约资源。
在一定程度上实现了对象状态的外部化,方便对对象状态的管理和维护。
缺点
对象状态的外部化可能导致系统不稳定,需要谨慎设计。
提高了系统的复杂度,需要分离出外部状态和内部状态,而且外部状态具有固有化的性质,不应该随着内部状态的变化而变化,否则会造成系统的混乱。
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