设计模式学习笔记 - 设计模式与范式 -结构型：7.享元模式（上）：享元模式原理和应用

概述

在《设计模式与范式 -结构型：6.组合模式》，讲了组合模式。组合模式并不常用，主要用在数据能表示成树形结构、能通过遍历算法来解决问题的场景中。本章再学习一个不那么常用的模式，享元模式（Flyweight Design Pattern）。这也是学习的最后一个结构型模式。

跟其他所有的设计模式类似，享元模式的原理和实现也非常简单。今天，通过棋牌游戏和文本编辑器两个实际的例子来讲解。此外，还会讲到它跟单例、缓存、对象池的区别和联系。在下一节课中，还会剖析一下享元模式在 Java Integer、String 中的应用。

享元模式原理与实现

所谓 “享元” ，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象时不可变对象。

具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象时，如果这些重复对象是不可变对象，就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多出代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的作用。实际上，不仅仅相同的对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分抽取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。

不可变对象的指的是，一旦通过构造函数初始化完成后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何 set() 等修改内部状态的方法。

之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多出代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他的代码。

假设我们在开发一个棋牌游戏（比如象棋）。一个游戏厅中有成千上万个 “房间”，每个房间对应一个棋局。棋局要保证每个棋子的数据，比如：棋子类型（将、相、士、炮等）、棋子颜色（红方、黑方）、棋子在棋局中的位置。利用这些数据，就能显示一个完整的棋盘给玩家。具体的代码如下所示。其中， ChessPiece 类表示棋子，ChessBoard 表示一个棋局，里面保存了象棋中 32 个棋子的信息。

public class ChessPiece { // 棋子private int id;private String text;private Color color;private int positionX;private int positionY;public static enum Color {RED, BLACK}// 省略其他属性和getter/setter方法...
}public class ChessBoard {Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();public ChessBoard() {this.init();}private void init() {chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));chessPieces.put(2, new ChessPiece(2, "馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));// 省略摆放的其他棋子的代码...}public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {// ...}
}

为了记录每个房间当前的棋局情况，我们需要给每个房间都创建一个 ChessBoard 棋局对象。因为游戏大厅中有成千上万的房间（实际上，百万人同时在线的游戏大厅也有很多），那保存这么多棋局对象就会消耗大量的内存。

这个时候，享元模式就派上用场了。像刚刚的实现方式在内存中会有大量的相似对象。这些对象的 id、text、color 都是想通的，唯独 positionX、positionY 不同。实际上，我们可以将棋子的 id、text、color 属性拆分出来，设计成独立的类，并且作为享元供多个棋盘复用。这样，棋盘只需要记录棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示。

public class ChessPieceUnit {private int id;private String text;private Color color;public static enum Color {RED, BLACK}// 省略其他属性和getter方法...
}public class ChessPieceUnitFactory {private static final Map<Integer, ChessPieceUnit> pieces = new HashMap<>();static {pieces.put(1, new ChessPieceUnit(1, "車", ChessPieceUnit.Color.BLACK));pieces.put(2, new ChessPieceUnit(2, "馬", ChessPieceUnit.Color.BLACK));// 省略其他棋子的代码...}public static ChessPieceUnit getChessPieceUnit(int chessPieceId) {return pieces.get(chessPieceId);}
}public class ChessPiece { // 棋子private ChessPieceUnit chessPieceUnit;private int positionX;private int positionY;public ChessPiece(ChessPieceUnit chessPieceUnit, int positionX, int positionY) {this.chessPieceUnit = chessPieceUnit;this.positionX = positionX;this.positionY = positionY;}// 省略getter/setter方法
}public class ChessBoard {Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();public ChessBoard() {this.init();}private void init() {chessPieces.put(1, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPieceUnit(1), 0, 1));chessPieces.put(2, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPieceUnit(2), 0, 1));// 省略摆放的其他棋子的代码...}public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {// ...}
}

在上面的代码实现中，我们利用工程类来缓存 ChessPieceUnit 信息。通过工厂类获取到的 ChessPieceUnit 就是享元。所有 ChessBoard 对象共享这 32 个 ChessPieceUnit 对象。在使用享元模式之前，记录 1 万个棋局，要创建 32 万个棋子的 ChessPieceUnit 对象。利用响应模式，只需要创建 32 享元对象供所有棋局共享使用，大大节省了内存。

那享元模式的原理讲完了，来总结下它的代码结构。实际上，它的代码结构非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 来缓存已经创建过的享元对象，来达到复用的目的。

享元模式在文本编辑器中的应用

弄懂了享元模式的原理和实现之后，再来看另一个例子，如何利用享元模式来优化文本编辑器的内存占用？

你可以把这里提到的文本编辑器想象成 Office 的 Word。不过，为了简化需求背景，假设这个文本编辑器只实现文字编辑功能，不包含图片、表格等复杂的编辑功能。对于简化之后的文本编辑器，我们在内存中表示一个文本文件，只需要记录文字和格式两部分信息就可以了，其中格式包括字体大小、颜色等信息。

尽管在实际的文档编写中，一般都是按照文本类型（标题、正文、…）来设置文字的格式。但是，从理论上讲，我们可以给文本文件中的每个文字都设置不同的格式。为了实现如此灵活的设置，并且代码实现又不过于复杂，我们把每个文字都当做一个独立对象来看待，并且在其中包含它的格式信息。具体代码如下所示：

public class Character {private char c;private Font font;private int size;private int colorRGB;public Character(char c, Font font, int size, int colorRGB) {this.c = c;this.font = font;this.size = size;this.colorRGB = colorRGB;}
}public class Editor {private List<Character> chars = new ArrayList<>();public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {Character character = new Character(c, font, size, colorRGB);chars.add(character);}
}

在文本编辑器中，每敲一个字，都会调用 Editor 类中的 appendCharacter() 方法，创建一个新的 Character 对象，保存到 chars 中。如果一个文件中，有上万、几十万的文字，那我们就要在内存中存储这么多的 Character 对象。

实际上，在一个文本文件中，用到的字体格式不会太多，毕竟不大可能有人把每个文字都设置成不同的格式。所以，对于字体格式，我们可以将它设计成享元，让不同的文字共享使用。按照这个设计思路，对上面的代码进行重构。

public class CharacterStyle {private Font font;private int size;private int colorRGB;public CharacterStyle(Font font, int size, int colorRGB) {this.font = font;this.size = size;this.colorRGB = colorRGB;}@Overridepublic boolean equals(Object obj) {CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) obj;return font.equals(otherStyle.font)&& size == otherStyle.size&& colorRGB == otherStyle.colorRGB;}
}public class CharacterStyleFactory {private static final List<CharacterStyle> styles = new ArrayList<>();public static CharacterStyle getStyle(Font font, int size, int colorRGB) {CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font, size, colorRGB);for (CharacterStyle style : styles) {if (style.equals(newStyle)) {return style;}}styles.add(newStyle);return newStyle;}
}public class Character {private char c;private CharacterStyle style;public Character(char c, CharacterStyle style) {this.c = c;this.style = style;}
}public class Editor {private List<Character> chars = new ArrayList<>();public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {Character character = new Character(c, CharacterStyleFactory.getStyle(font, size, colorRGB));chars.add(character);}
}

享元 VS 单例、缓存、对象池

上面的讲解中，多次提到 “共享” “缓存” “复用” 这些字眼，那它和单例、缓存、对象池这些概念有什么区别呢？

享元模式和单例的区别

在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多出代码引用共享。实际上，享元模式有点类似与单例的变体：多例。

前面也多次提到，区别两种设计模式，不能光看代码，还要看设计意图，也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看，享元模式和多例有很多相似之处，但从设计意图上来看，它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例是为了限制对象的个数。

享元模式和缓存的区别

• 在享元模式的实现中，我们通过工厂类来缓存已经创建好的对象。这里的 “缓存” 实际上是 “存储” 的意思。
• 跟我们平时所说的 “数据库缓存” “CPU缓存” “MemCache 缓存” 是两回事。我们平时将的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。

享元模式和对象池的区别

对象池、连接池、线程池等也是为了复用，它们和享元模式有什么区别呢？

你可能对连接池、线程池比较熟悉，对对象池比较陌生，所以这里简单解释下。像 C++ 这样的编程语言，内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地创建与释放导致内存碎片，我们可以预先申请一片连续的空间，也就是这里所说的对象池。每次创建对象时，我们从对象池中取出一个空闲对象来使用，对象使用完之后，再放回到对象池中以供后续复用，而非直接释放掉。

虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用，但是，如果我们在细致地扣一扣 “复用” 这个字眼的话，对象池、连接池、线程池 等池化技术中的 “复用” 和享元模式中的 “复用” 实际上是不同的概念。

• 池化技术中的 “复用” 可以理解为重复使用，主要目的是节省时间（比如从数据库池中取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。
• 享元模式中的 “复用” 可以理解为共享使用。在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。

总结

1.享元模式的原理

所谓 “享元”，就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象时不可变对象。具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，就可以利用享元模式，将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用，这样可以减少内存中对象的数量，以及起到节省内存的目的。

实际上，不仅仅相同的对象可以设计成享元，对于相似的对象，也可以将这些对象中相同的部分（字段），提取出来设计成享元，让这些大量相似对象引入这些享元。

2.享元模式的实现

享元模式的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建好的对象，已达到复用的目的。

3.享元模式 VS 单例、缓存、对象池

• 应用单例是为了保证对象全局唯一。
• 应用享元模式是为了实现对象复用，节省内存。
• 缓存是为了提高访问效率，而非复用。
• 池化技术中的 “复用” 理解为 “重复使用”，主要是为了节省实现。