java设计模式学习之【享元模式】

文章目录

引言
享元模式简介
- 定义与用途
- 实现方式
使用场景
优势与劣势
在Java中的应用
享元模式在Spring中的应用
画图示例
代码地址

引言

想象一下，您正在开发一个游戏，游戏中有成千上万的树木和建筑。如果每个对象都独立存储它的所有数据，将会占用大量的内存资源。享元模式提供了一种优化的解决方案，它通过共享相似对象的共有部分，减少内存的使用，同时保持独立对象的特性。

享元模式简介

定义与用途

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，用于减少创建大量相似对象的内存开销。它通过共享相似对象的共有状态，减少资源消耗，特别是在需要大量对象的情况下。

实现方式

实现享元模式通常包括以下几个关键组件：

享元接口（Flyweight）： 定义了享元对象的共有方法。
具体享元（Concrete Flyweight）： 实现享元接口，存储内部状态。
享元工厂（Flyweight Factory）： 创建并管理享元对象，确保合理地共享对象。

使用场景

享元模式适用于以下场景：

当一个应用程序需要大量的相似对象时，可以使用享元模式来减少内存消耗。
当对象的大多数状态可以被外部化时，享元模式可以有效地共享数据。
当需要细粒度对象来表示数据时，而且这些数据可以被共享。

例如：

游戏开发中的环境设计：如树木、草、石头等，可以共享相同的模型和纹理。
文本处理程序中的字符处理：字符实例可以被共享，以减少内存占用。
用户界面中的控件和图标：在整个应用中可以共享相同的图标或控件实例。

优势与劣势

优势
减少内存消耗： 通过共享相似对象，显著减少内存占用。
提高性能： 减少对象创建和销毁的开销，提升应用性能。
劣势
增加系统复杂性： 需要维护共享对象的状态，可能增加系统的复杂性。
外部状态管理： 享元对象的外部状态需要由客户端代码维护，可能增加客户端的负担。

在Java中的应用

在Java中，String常量池是享元模式的一个经典例子。Java虚拟机（JVM）中的String常量池存储了所有的字符串字面量。这些字符串字面量是共享的，从而节约了内存。

享元模式在Spring中的应用

在Spring框架中，享元模式的应用并不像一些其他设计模式那样显而易见，但它确实在一些关键部分发挥作用，特别是在优化性能和资源管理方面。以下是一些示例：

Spring Bean的作用域管理：在Spring框架中，Bean的作用域可以被定义为单例（Singleton），这实际上是享元模式的一种应用。在单例模式下，Spring容器为每个Bean定义创建一个唯一的实例，并在整个容器中共享这个实例。这种方式减少了对象的创建，从而节约资源和提高效率。

Spring Security的权限缓存：在Spring Security中，权限信息经常被缓存以提高性能。这些权限对象的实例在需要时被创建，并在多个上下文中共享，这就是一种享元模式的实现。通过共享相同的权限对象实例，Spring Security减少了对象的创建和内存占用。

资源池的实现：在Spring中，资源如数据库连接和线程池常常使用享元模式进行管理。这些资源被创建并存储在池中，当需要时可以被多个客户端共享和重用。这样的资源共享减少了资源的频繁创建和销毁，优化了性能。

缓存机制：Spring框架提供了缓存抽象，可以通过缓存共享经常访问的数据，减少对外部系统（如数据库）的访问。这种缓存策略的背后思想与享元模式相似，即重用已有对象来减少资源消耗和提高效率。

通过这些应用，Spring框架有效地实现了享元模式的核心思想：共享和重用对象，以减少资源消耗和提高应用性能。

画图示例

在这里插入图片描述
步骤 1： 创建图形一个接口。

public interface Shape {
    void draw();
}

步骤 2： 实现具体类,创建了 Circle 类，实现了 Shape 接口。这个类包含圆的属性，如颜色、坐标和半径。

public class Circle implements Shape {
   private String color;
   private int x;
   private int y;
   private int radius;

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

   // 省略了设置 x, y, radius 的方法

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("绘制圆形：[颜色 : " + color + ", x : " + x + ", y :" + y + ", 半径 :" + radius);
   }
}

步骤 3： 创建工厂类
ShapeFactory 类用于基于给定的信息（如颜色）生成 Circle 对象。它内部维护了一个 HashMap，用于缓存已经创建的 Circle 对象。

import java.util.HashMap;

public class ShapeFactory {

   private static final HashMap<String, Circle> circleMap = new HashMap<>();

   public static Shape getCircle(String color) {
      Circle circle = circleMap.get(color);

      if(circle == null) {
         circle = new Circle(color);
         circleMap.put(color, circle);
         System.out.println("创建颜色为 " + color + " 的圆形");
      }
      return circle;
   }
}

步骤 4： 使用工厂类
FlyweightPatternDemo 类演示了如何使用 ShapeFactory 来获取特定颜色的 Circle 实例。它演示了如何有效地重用已经创建的对象，而不是每次都创建新对象。

public class FlyweightPatternDemo {
   private static final String[] colors = { "红色", "绿色", "蓝色", "白色", "黑色" };

   public static void main(String[] args) {
      for(int i = 0; i < 20; ++i) {
         Circle circle = (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
         circle.setX(getRandomX());
         circle.setY(getRandomY());
         circle.setRadius(100);
         circle.draw();
      }
   }

   private static String getRandomColor() {
      return colors[(int)(Math.random() * colors.length)];
   }

   private static int getRandomX() {
      return (int)(Math.random() * 100);
   }

   private static int getRandomY() {
      return (int)(Math.random() * 100);
   }
}

在这里插入图片描述
这个示例中，ShapeFactory 充当享元工厂，管理 Circle 对象的创建和缓存。当请求特定颜色的圆时，工厂首先检查是否已经创建了该颜色的圆。如果已存在，则重用该对象；如果不存在，才创建新的圆，并将其存储在哈希表中以供将来重用。这种方式显著减少了对象创建的数量，从而优化了内存使用和性能。