重修设计模式-结构型-享元模式

复用不可变对象，节省内存

享元模式（Flyweight Pattern）核心思想是通过共享对象方式，达到节省内存和提高性能的目的。享元对象需是不可变对象，因为它会被多处代码共享使用，要避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。

享元模式的实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建过的享元对象，来达到复用的目的。

举个例子，在线象棋游戏：

象棋可同时容纳上万个房间同时进行游戏，每个房间最基础的是象棋和棋盘。一副象棋有32个棋子，如果后每个房间都创建相同的棋子对象，就是千万级别的，对任何系统都是个挑战。

分析这个例子，棋子的字和颜色是固定的几个，跟场景无关；场景相关的只有只有棋子的坐标。那其实可以把棋子不变的部分抽取出来，设计为享元对象，让所有棋子共享，从而让每个棋子对象变得更轻量。

未使用享元模式的棋子对象：

//棋子
data class ChessPieceOld(
    val id: Long,
    val text: String,
    val color: ChessPieceUnit.Color,
    val positionX: Int,
    val positionY: Int
) {
}

当对象大量创建时，几个固定的属性（id、text、color）会大量重复，冗余占用内存。这时可以将这几个属性抽出，设计为享元类，并使用带缓存的工厂来生成享元对象：

//棋子固定信息-享元类
data class ChessPieceUnit(val id: Long, val text: String, val color: Color) {
    enum class Color {
        RED, BLACK
    }
}

//生成棋子-带缓存的创建工厂
class ChessPieceFactory {
    companion object {
        //享元对象池
        private val chessPiece = hashMapOf(
            1 to ChessPieceUnit(1, "車", ChessPieceUnit.Color.RED),
            2 to ChessPieceUnit(2, "馬", ChessPieceUnit.Color.BLACK),
            //...
        )

        fun getChessPiece(id: Int): ChessPieceUnit {
            return chessPiece[id]!!
        }
    }
}

//棋子
data class ChessPiece(val piece: ChessPieceUnit, val positionX: Int, val positionY: Int) {
}

//棋盘
class ChessBoard() {
    private val chessPieces: HashMap<Int, ChessPiece> = hashMapOf()

    fun init() {
        chessPieces.put(1, ChessPiece(ChessPieceFactory.getChessPiece(1), 0, 1))
        chessPieces.put(2, ChessPiece(ChessPieceFactory.getChessPiece(1), 0, 1))
        //...
    }

    fun move(chessPieceId: Int, positionX: Int, positionY: Int) {
        //...
    }
}

使用享元后，所有棋子的固定部分共同引用数量有限的享元对象，每个棋子对象变得更为轻量，内存中存储的冗余信息大大减少，避免了大量相似对象的开销，提高了系统资源的利用率。

注意上面的例子，使用享元模式后，棋子对象的数量并没有变化，只是对象比之前小了很多。消耗内存最多的成员变量已经被移动到很少的几个享元对象中了，这几个享元对象会被上千个情境小对象复用，无需再重复存储相同数据。

享元模式在 Java 语言中的应用

1.Java 中的字符串常量池

String 类会利用享元模式来复用相同的字符串常量，当某个字符串常量第一次被用到的时候，存储到常量池中，之后再用到的时候，直接引用常量池中已经存在的即可，不需要重复创建对象，通过下面代码可以验证。

//字符串常量池
String s1 = "秋意浓";
String s2 = "秋意浓";
String s3 = new String("秋意浓");//直接new出对象，绕过了Java的常量池优化
System.out.println(s1 == s2);   //输出：true
System.out.println(s1 == s3);   //输出：false

2.基本类型包装类

基本类型的包装类（如Integer 、Long、Short、Byte 等），也都利用了享元模式来缓存 -128 到 127 之间的数据。因为对于大部分应用来说这个区间是最常用的数值，如果预先创建所有值的享元对象不仅会占用大量内存，也会让类加载时间过长。

以 Integer 类型为例：

//包装类型的享元
Integer n1 = 1;
Integer n2 = 1;
Integer n3 = 129;
Integer n4 = 129;
System.out.println(n1 == n2);   //输出：true
System.out.println(n3 == n4);   //输出：false

因为 129 超出了享元对象池区间，所以每次会返回新的对象，两个对象地址不同，输出 false。Integer 享元部分源码如下：

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

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() {}
}

可以通过 JDK 参数修改缓存池上限（下限不支持修改）：

//方法一：
-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=255
//方法二：
-XX:AutoBoxCacheMax=255

在使用 Java 进行编码时，要尽量避免直接 new 出包装类型或者字符类型对象，如 String s = new String("aaa")、Integer n = new Integer(1)，这样会绕过系统的享元模式，创建重复对象。推荐直接使用自动装箱语法，如：Integer n = 1，或通过类型工厂的方式：Integer n = Integer.valueof(1)

上面两个场景都是享元模式在 Java 中的应用，只是实现略有不同：Integer 类中要共享的对象，是在类加载的时候就一次性创建好的；String 类的享元，是在某个字符串第一次被用到的时候，才创建并存储到常量池中的，相当于懒加载方式。

享元模式的类似设计

1.享元模式 vs 单例

虽然享元模式的实现和单例的变体多例非常相似，但它们的设计意图不同：享元模式是为了对象复用，节省内存。而多例是为了限制对象的个数。

2.享元模式 vs 对象池

虽然享元模式和对象池都是为了复用，但他们的“复用”也是不同的概念：

• 对象池中的“复用”可以理解为“重复使用”，使用时被使用者独占，使用完成后放回池中，主要目的是节省时间。
• 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

当一个系统中存在大量重复对象的时候，我们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，以起到节省内存的目的。