花城人去今萧索,春梦绕胡沙。

——赵佶《眼儿媚》

设计模式-享元模式

1. 享元模式概述

1.1 享元模式是什么?
  1. 享元模式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。这种类型的设计模式属于结构型模式,它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。

  2. 享元模式(Flyweight Pattern) 也叫 蝇量模式: 运用共享技术(共享对象的方式)有效地支持大量细粒度的对象。

    • 细粒度对象(可以理解为不使用线程池情况下的线程对象) : 是内存中的数量庞大的对象 ,实际使用的数量庞大的对象 ;
    • 共享对象(可以理解为线程池中的对象) :
      • 多个细粒度对象共享的部分数据 ;
      • 对象缓存池中存储的对象 ;
1.2 享元模式何时使用?
  1. 系统中有大量对象。
  2. 这些对象消耗大量内存。
  3. 这些对象的状态大部分可以外部化。
  4. 这些对象可以按照内蕴状态分为很多组,当把外蕴对象从对象中剔除出来时,每一组对象都可以用一个对象来代替。
  5. 系统不依赖于这些对象身份,这些对象是不可分辨的。
1.3 享元模式应用场景?
  1. 常用于系统底层开发,解决系统的性能问题。像数据库连接池,里面都是创建好的连接对象,在这些连接对象中有我们需要的则直接拿来用,避免重新创建,如果没有我们需要的,则创建一个 。
  2. 享元模式能够解决重复对象的内存浪费的问题,当系统中有大量相似对象,需要缓冲池时。不需总是创建新对象,可以从缓冲池里拿。这样可以降低系统内存,同时提高效率。
  3. 享元模式经典的应用场景就是池技术了,String 常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用,享元模式是池技术的重要实现方式。

2. 内部状态和外部状态

使用享元模式时,==注意划分内部状态和外部状态==:

  1. IntrinsicState内部状态 : 有些数据所有的对象都一样 , 显然不能当做对象一致性对比的依据 , 这就是内部状态 ;享元对象共享内部状态
  2. ExtrinsicState外部状态 : 有些数据每个对象都不一样 , 根据该数据确定对象的唯一性 , 相当于 哈希码 , 身份证号 , 档案编号 这一类的数据 , 这就是外部状态 ;每个享元对象的外部状态不同

3. 享元模式类图

  • Flyweight:享元对象–是产品的抽象类, 同时定义出对象的外部状态和内部状态(抽象类/接口)
  • ConcreteFlyWeight:是具体的享元角色,是具体的产品类,实现抽象角色定义相关业务。
  • FlyWeightFactory 享元工厂类,用于构建一个池容器(集合), 同时提供从池中获取对象方法。
    • 从Client的角度去解释享元工厂类:使用对象时 , 先从对象池中获取对象 , 如果对象池中没有 , 创建一个 , 放入对象池 , 然后再从对象池中获取 。

4. 享元模式优缺点

优点
  1. 大大较少对象的创建,降低系统的内存,使效率提高。
缺点
  1. 系统的复杂度:
    • 需要分类出外部状态和内容状态也就是说将一个类拆解成多个类 ,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。
    • 系统复杂性增加了 ,但是对客户端使用层面来说是简单的。

5. 享元模式在JDK源码中的应用

String中的体现
  1. Java的虚拟机会开辟一个内存区域(叫字符串缓冲池)来存储字符串常量,而通过new创建的字符串对象是存储在堆内存中。

  2. 当新建一个字符串常量时,首先会从字符串缓冲池中查找,如果找到则返回该常量的引用地址,如果找不到则新建一个字符串常量再返回地址引用。

  3. 当通过new新建一个字符串对象时,会在堆内存中开辟一个新建的空间,再初始化,即使两个字符串的值是一样的但它们的引用地址是不一样的,属于两个不同的对象。

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public class FlyWeightString {
public static void main(String[] args) {
String s1 = "abc";
String s2 = "abc";
String s3 = new String("abc");
String s4 = new String("abc");
System.out.println(s1 == s2);//true
System.out.println(s3 == s4);//false
System.out.println(s1 == s3);//false
}
}
Integer中的体现
  1. 如果 Integer.valueOf(x) ,x 在 -128 -127 直接就是使用享元模式返回,如果不在范围类,则仍然 new。
  2. 在valueOf 方法中,先判断值是否在 IntegerCache 中,如果不在,就创建新的Integer, 否则,就直接从缓存池返回。
  3. valueOf 方法,就使用到享元模式
  4. 如果使用valueOf 方法得到一个Integer 实例,范围在 -128 -127 ,执行速度比 new 快。
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public class FlyWeightInteger {

public static void main(String[] args) {
// 得到 x 实例,类型 Integer
Integer x = Integer.valueOf(127);
Integer y = new Integer(127);
Integer z = Integer.valueOf(127);
Integer w = new Integer(127);

System.out.println(x == y ); // false
System.out.println(x == z ); // true

System.out.println(w == x ); // false
System.out.println(w == y ); // false


Integer x1 = Integer.valueOf(200);
Integer x2 = Integer.valueOf(200);
System.out.println("x1==x2 :" + (x1 == x2)); // false
}
}

Integer中的valueOf方法

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public static Integer valueOf(int i) {
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}

Integer静态内部类IntegerCache

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private static class IntegerCache {
static final int low = -128;
static final int high;
static final Integer cache[];

static {
// high value may be configured by property
int h = 127;
String integerCacheHighPropValue =
sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
if (integerCacheHighPropValue != null) {
try {
int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
i = Math.max(i, 127);
// Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
} catch( NumberFormatException nfe) {
// If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
}
}
high = h;

cache = new Integer[(high - low) + 1];
int j = low;
for(int k = 0; k < cache.length; k++)
cache[k] = new Integer(j++);

// range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
assert IntegerCache.high >= 127;
}

private IntegerCache() {}
}