【23种设计模式】享元模式【⭐】-Toy模板网

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个人主页：金鳞踏雨

个人简介：大家好，我是金鳞，一个初出茅庐的Java小白

目前状况：22届普通本科毕业生，几经波折了，现在任职于一家国内大型知名日化公司，从事Java开发工作

我的博客：这里是CSDN，是我学习技术，总结知识的地方。希望和各位大佬交流，共同进步 ~

把相同、相似的一些对象和属性拿来复用，以至于节省内存；由于这些对象将会被共享，所以它们最好是不可变的（不要又set() 方法）！

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。

本篇博客来自IT楠老师的视频教程，结合个人理解后输出~

一、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。他也是一个不怎么常用的设计模式，享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。

具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，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，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同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（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。

这里定义中的“不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。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，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。

接下来，我们通过一个简单的例子解释一下享元模式。

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。棋局要保存每个棋子的数据，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，我们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 类表示一个棋局，里面保存了象棋中 30 个棋子的信息。

public class ChessPiece {//棋子
    private int id;
    private String text;
    private Color color;
 
    public ChessPiece(int id, String text, Color color, int positionX, int positionY) {
        this.id = id;
        this.text = text;
        this.color = color;
        this.positionX = positionX;
        this.positionY = positionX;
    }
    public static enum Color {
        RED, BLACK
    }
    // ...省略其他属性和getter/setter方法...
}

public class ChessBoard {//棋局
    private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
    public ChessBoard() {
        init();
    }
    private void init() {
        chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0));
        chessPieces.put(2, new ChessPiece(2,"馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));
        //...省略摆放其他棋子的代码...
    }
    public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
        //...省略...
    }
}

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。有没有什么办法来节省内存呢？

这个时候，享元模式就可以派上用场了。

上述案例，在内存中会有大量的相似对象。这些相似对象的 id、text、color 都是相同的，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，棋盘只需要记录每个棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示：

// 享元类
@ToString
public class ChessUnit {
    private Long id;
    private String text;
    private Color Color;
    public ChessUnit(Long id, String text, ChessUnit.Color color) {
        this.id = id;
        this.text = text;
        Color = color;
    }
    // 枚举（红、黑）
    public enum Color{
        RED,BLACK
    }
}

// 享元工厂
public class ChessUnitFactory {
    private static Map<Long,ChessUnit> chessUnitMap = new HashMap<>(64);
    static {
        chessUnitMap.put(1L,new ChessUnit(1L,"兵",ChessUnit.Color.RED));
        chessUnitMap.put(2L,new ChessUnit(2L,"马",ChessUnit.Color.RED));
        chessUnitMap.put(3L,new ChessUnit(3L,"炮",ChessUnit.Color.RED));
        chessUnitMap.put(4L,new ChessUnit(4L,"将",ChessUnit.Color.RED));
        chessUnitMap.put(5L,new ChessUnit(5L,"将",ChessUnit.Color.BLACK));
    }
    /**
     * 暴露一个工厂方法，用来获取棋子
     * @param id 棋子的id
     * @return 棋子
     */
    public static ChessUnit getChessUnit(Long id){
        return chessUnitMap.get(id);
    }
}

// 注意一定需要将其hashCode重写，否则它不能作为key使用(@EqualsAndHashCode)
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@EqualsAndHashCode
public class Position {
    private int positionX;
    private int positionY;
}

// 棋子
@Data
@AllArgsConstructor
public class ChessPiece {
    private ChessUnit chessUnit;
    private Position position;
}

// 棋盘
public class ChessBoard {

    // 应该持有一个套棋子（有具体的坐标）
    private Map<Position, ChessPiece> chessPieceMap;

    public ChessBoard() {
        // 构造棋牌
        this.chessPieceMap = new HashMap<>(64);
        // 初始化棋牌
        Position position1 = new Position(1, 2);
        chessPieceMap.put(position1,new ChessPiece(ChessUnitFactory.getChessUnit(1L),position1));
        Position position2 = new Position(1, 4);
        chessPieceMap.put(position2,new ChessPiece(ChessUnitFactory.getChessUnit(1L),position2));
        Position position3 = new Position(1, 5);
        chessPieceMap.put(position3,new ChessPiece(ChessUnitFactory.getChessUnit(3L),position3));

    }
    
    public void display(){
        for (Map.Entry<Position,ChessPiece> entry : chessPieceMap.entrySet()){
            System.out.println(entry.getKey() + "-->" + entry.getValue());

        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ChessBoard chessBoard = new ChessBoard();
        chessBoard.display();
    }
}

在上面的代码实现中，我们利用工厂类来缓存 ChessPieceUnit 信息（也就是 id、text、color）。通过工厂类获取到的 ChessPieceUnit 就是享元。所有的 ChessBoard 对象共享这 30 个 ChessPieceUnit 对象（因为象棋中只有 30 个棋子）。在使用享元模式之前，记录 1 万个棋局，我们要创建 30 万（30*1 万）个棋子的 ChessPieceUnit 对象。利用享元模式，我们只需要创建 30 个享元对象供所有棋局共享使用即可，大大节省了内存。

二、源码应用

1、享元模式在 Java Integer 中的应用

如何判定两个 Java 对象是否相等（也就代码中的“==”操作符的含义）？

什么是自动装箱（Autoboxing）和自动拆箱（Unboxing）？

Java 为基本数据类型提供了对应的包装器类型。

Integer i = 56; //自动装箱
int j = i; //自动拆箱

自动装箱：就是自动将基本数据类型转换为包装器类型。

数值 56 是基本数据类型 int，当赋值给包装器类型（Integer）变量的时候，触发自动装箱操作，创建一个 Integer 类型的对象，并且赋值给变量 i。其底层相当于执行了下面这条语句

Integer i = 56；//底层执行了：Integer i = Integer.valueOf(56);

自动拆箱：也就是自动将包装器类型转化为基本数据类型。

当把包装器类型的变量 i，赋值给基本数据类型变量 j 的时候，触发自动拆箱操作，将 i 中的数据取出，赋值给 j。其底层相当于执行了下面这条语句

int j = i; //底层执行了：int j = i.intValue();

“==”来判定两个对象是否相等的时候，实际上是在判断两个局部变量存储的地址是否相同，换句话说，是在判断两个局部变量是否指向相同的对象。

下面的这段"神奇"的代码会输出什么？？？

Integer i1 = 56;
Integer i2 = 56;
Integer i3 = 129;
Integer i4 = 129;
System.out.println(i1 == i2);    // true
System.out.println(i3 == i4);    // false

一个 true，一个 false

实际上，这正是因为 Integer 用到了享元模式来复用对象，才导致了这样的运行结果。当我们通过自动装箱，也就是调用 valueOf() 来创建 Integer 对象的时候，如果要创建的 Integer 对象的值在 -128 到 127 之间，会从 IntegerCache 类中直接返回，否则才调用 new 方法创建。

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

实际上，这里的 IntegerCache 相当于，生成享元对象的工厂类，只不过名字不叫 xxxFactory 而已。这个类是 Integer 的内部类。

private static class IntegerCache {
    // 下限
    static final int low = -128;
    // 上限(根据配置或默认值来确定)
    static final int high;
    // 存储整数对象的数组
    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() {}
}

为什么 IntegerCache 只缓存 -128 到 127 之间的整型值呢？

在 IntegerCache 的代码实现中，当这个类被加载的时候，缓存的享元对象会被集中一次性创建好。毕竟整型值太多了，我们不可能在 IntegerCache 类中预先创建好所有的整型值，这样既占用太多内存，也使得加载 IntegerCache 类的时间过长。所以，我们只能选择缓存对于大部分应用来说最常用的整型值，也就是一个字节的大小（-128 到 127 之间的数据）。

实际上，JDK 也提供了方法来让我们可以自定义缓存的最大值，有下面两种方式。如果你通过分析应用的 JVM 内存占用情况，发现 -128 到 255 之间的数据占用的内存比较多，你就可以用如下方式，将缓存的最大值从 127 调整到 255。不过，这里注意一下，JDK 并没有提供设置最小值的方法。

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

现在，让我们再回到最开始的问题，因为 56 处于 -128 和 127 之间，i1 和 i2 会指向相同的享元对象，所以 i1i2 返回 true。而 129 大于 127，并不会被缓存，每次都会创建一个全新的对象，也就是说，i3 和 i4 指向不同的 Integer 对象，所以 i3i4 返回 false。

实际上，除了 Integer 类型之外，其他包装器类型，比如 Long、Short、Byte 等，也都利用了享元模式来缓存 -128 到 127 之间的数据。比如，Long 类型对应的 LongCache 享元工厂类及 valueOf() 函数代码如下所示：

private static class LongCache {
    private LongCache(){}
    static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1];
    static {
        for(int i = 0; i < cache.length; i++)
            cache[i] = new Long(i - 128);
    }
}
public static Long valueOf(long l) {
    final int offset = 128;
    if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
        return LongCache.cache[(int)l + offset];
    }
    return new Long(l);
}

在我们平时的开发中，对于下面这样三种创建整型对象的方式，我们优先使用后两种。

Integer a = new Integer(123);
Integer a = 123;
Integer a = Integer.valueOf(123);

第一种创建方式并不会使用到 IntegerCache，而后面两种创建方法可以利用 IntegerCache 缓存，返回共享的对象，以达到节省内存的目的。

举一个极端一点的例子，假设程序需要创建 1 万个 -128 ~ 127 之间的 Integer 对象。使用第一种创建方式，我们需要分配 1 万个 Integer 对象的内存空间；使用后两种创建方式，我们最多只需要分配 256 个 Integer 对象的内存空间。

2、享元模式在 Java String 中的应用

刚刚我们讲了享元模式在 Java Integer 类中的应用，现在，我们再来看下，享元模式在 Java String 类中的应用。同样，我们还是先来看一段代码，你觉得这段代码输出的结果是什么呢？

String s1 = "楠老师";
String s2 = "楠老师";
String s3 = new String("楠老师");

System.out.println(s1 == s2);
System.out.println(s1 == s3);

上面代码的运行结果是：一个 true，一个 false。跟 Integer 类的设计思路相似，String 类利用享元模式来复用相同的字符串常量（也就是代码中的“小争哥”）。JVM 会专门开辟一块存储区来存储字符串常量，这块存储区叫作“字符串常量池”。上面代码对应的内存存储结构如下所示：

不过，String 类的享元模式的设计，跟 Integer 类稍微有些不同。Integer 类中要共享的对象，是在类加载的时候，就集中一次性创建好的。但是，对于字符串来说，我们没法事先知道要共享哪些字符串常量，所以没办法事先创建好，只能在某个字符串常量第一次被用到的时候，存储到常量池中，当之后再用到的时候，直接引用常量池中已经存在的即可，就不需要再重新创建了。

三、享元模式和单例、缓存、池化的区别

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

享元模式跟单例的区别

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，每个对象被多处代码引用共享。

我们前面也多次提到，区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，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，而应用多例模式是为了限制对象的个数。

享元模式跟缓存的区别

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。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。

享元模式跟对象池的区别

对象池、连接池（比如数据库连接池）、线程池等也是为了复用，那它们跟享元模式有什么区别呢？

虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用，但是，如果我们再细致地抠一抠“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。