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Java结构型设计模式之享元模式示例详解

2024-04-02 19:55

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享元模式

概述

享元模式(Flyweight Pattern)又称为轻量级模式，是对象池的一种实现。属于结构型模式。

类似于线程池，线程池可以避免不停的创建和销毁多个对象，消耗性能。享元模式提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。

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。主要用于减少创建对象的数量，以减少内存占用和提高性能。其本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

目的

运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象，将多个对同一对象的访问集中起来，不必为每个访问者创建一个单独的对象，以此来降低内存的消耗。

在系统中增加类和对象的个数，当对象数量太多时，将导致运行代价过高，带来性能下降等问题。

当有大量对象时，有可能会造成内存溢出，把其中共同的部分抽象出来，如果有相同的业务请求，直接返回在内存中已有的对象，避免重新创建。

应用场景

当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多处需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，消耗大量内存空间。

享元模式其实就是工厂模式的一个改进机制，享元模式同样要求创建一个或一组对象，并且就是通过工厂方法生成对象的，只不过享元模式中为工厂方法增加了缓存这一功能。

1、系统有大量相似对象。

2、需要缓冲池的场景。

例如

1、JAVA中的String，如果有则返回，如果没有则创建一个字符串保存在字符串缓存池里面。

2、数据库的数据池。

优缺点

优点：

1.减少对象的创建，降低内存中对象的数量，降低系统的内存，提高效率。

2.减少内存之外的其他资源占用。

缺点：

1.关注内、外部状态、关注线程安全问题。

2.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。

主要角色

1.抽象享元角色(Flyweight)

享元对象抽象基类或者接口，同时定义出对象的外部状态和内部状态的接口或实现。

2.具体享元角色(ConcreteFlyweight)

实现抽象角色定义的业务。该角色的内部状态处理应该与环境无关，不能出现会有一个操作改变内部状态，同时修改了外部状态。

3.享元工厂(FlyweightFactory)

负责管理享元对象池和创建享元对象。

享元模式结构

内部状态和外部状态

享元模式把一个对象的状态分成内部状态和外部状态，内部状态是不变的，外部状态是变化的。然后通过共享不变的部分，达到减少对象数量并节约内存的目的。

享元模式的定义有2个要求：细粒度和共享对象。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。

内部状态指与外部状态

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。

例如

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。而每个连接要回收利用时，需要给它标记为可用状态，这些为外部状态。

享元模式的基本使用

创建抽象享元角色

public interface ITicket {
    
    void query();
}

创建具体享元角色

public class TrainTicket implements ITicket {
    
    private String from;
    
    private String to;
    
    private String type;
    
    private int price;
    public TrainTicket(String from, String to, String type) {
        this.from = from;
        this.to = to;
        this.type = type;
    }
    public void query() {
        this.price = new Random().nextInt(100);
        int num = new Random().nextInt(10);
        System.out.println(String.format("从%s到%s,%s,票价：%s元,剩余车票：%s", this.from, this.to, this.type, this.price, num));
    }
}

创建享元工厂

将相同查询票的信息对象进行缓存，复用该对象进行查询，减少对象的创建，降低内存的压力。

public class TicketFactory {
    private static Map<String, ITicket> ticketPool = new ConcurrentHashMap<String, ITicket>();
    public static ITicket queryTicket(String from, String to, String type) {
        String key = "出发站："+from + " 目的站：" + to + " 坐席类型：" + type;
        if (TicketFactory.ticketPool.containsKey(key)) {
            System.out.println("使用缓存查询：" + key);
            return TicketFactory.ticketPool.get(key);
        }
        System.out.println("第一次查询，创建对象: " + key);
        ITicket ticket = new TrainTicket(from, to, type);
        TicketFactory.ticketPool.put(key, ticket);
        return ticket;
    }
}

客户端调用

    public static void main(String[] args) {
        ITicket ticket = TicketFactory.queryTicket("A", "B", "特等座");
        ticket.query();
        ticket = TicketFactory.queryTicket("A", "B","一等座");
        ticket.query();
        ticket = TicketFactory.queryTicket("A", "B","特等座");
        ticket.query();
    }

第一次查询，创建对象: 出发站：A 目的站：B 坐席类型：特等座
从A--->B,特等座,票价：38元,剩余车票：8

第一次查询，创建对象: 出发站：A 目的站：B 坐席类型：一等座
从A--->B,一等座,票价：0元,剩余车票：4

使用缓存查询：出发站：A 目的站：B 坐席类型：特等座
从A--->B,特等座,票价：62元,剩余车票：6

总结

容器式单例模式适用于需要大量创建单例对象的场景。享元模式的实现恰好类似于容器式单例模式。但是有一点区别是享元模式的重点在于结构上。

享元模式实现数据库连接池

经常使用的数据库连接池也使用了享元模式，有效提高了其运行的性能。

在使用数据库连接池时，由于经常使用Connection对象，其主要性能消耗在建立连接和关闭连接的时候，为了提高Connection在调用时的性能，可以将Connection对象在调用前创建好缓存起来，用的时候从缓存中取值，用完再放回去，达到资源重复利用的目的。

创建数据库连接池

@Data
public class ConnectionPool {
    private Vector<Connection> pool;
    private String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/demo";
    private String username = "root";
    private String password = "123456";
    private String driverClassName = "com.mysql.jdbc.Driver";
    private int poolSize = 100;
    
    public ConnectionPool() {
        pool = new Vector<Connection>(poolSize);
        try {
            Class.forName(driverClassName);
            for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
                Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, password);
                pool.add(conn);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public synchronized Connection getConnection() {
        if (pool.size() > 0) {
            Connection conn = pool.get(0);
            pool.remove(conn);
            return conn;
        }
        return null;
    }
    
    public synchronized void release(Connection conn) {
        pool.add(conn);
    }
}

使用数据库连接池

    public static void main(String[] args) {
        ConnectionPool connectionPool = new ConnectionPool();
        Connection conn = connectionPool.getConnection();
        System.out.println("获取一个连接：" + conn + "连接池中剩余：" + connectionPool.getPool().size());
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            connectionPool.release(conn);
            System.out.println("归还连接池，连接池总数： " + connectionPool.getPool().size());
        }
    }