结构模式之享元模式

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1 概述

享元模式(flyweight Pattern)是通过重用元素来降低内存开销的一种设计模式。

2 享元模式

所谓享元,意思是共享元素。当程序需要创建大量元素,或创建一些占用大量内存的元素时,对服务器的内存资源是很大的挑战。这时可以应用享元模式,将元素拆分成变量不变量两部分。其中不变量,是所有的元素共通的部分,可以共享;变量,可以做为不同的元素的区分。比如要渲染一片森林,我们不需要为每一颗树都新建一个对象,因为每一颗“树”的渲染方式都是一样的,不同的只是“坐标“而已。这里树对象就是不变量树坐标变量,这样可以极大地减少内存开销。

3 案例

享元模式JDK中有广泛应用。看下面一个例子:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 直接赋值的String对象会被放到常量池中
        String a = "123";
        String b = "123";
        System.out.println("is String instance equal: " + (a == b));
    }
}

输出:

is String instance equal: true

两个对象之所以相等,是因为直接赋值String类型变量,默认会被放到JVMString Pool里面。如果两个String变量的字面量一样,那它们指向的就是String Pool里的同一个对象。
通过对String对象池化的处理,可以复用对象,降低内存的开销。这是享元模式的应用。

再来看一个简单的例子:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // [-128, 127] 之间的值,会放入JVM的缓存之中
        Integer i1 = Integer.valueOf(127);
        Integer i2 = Integer.valueOf(127);
        Integer i3 = Integer.valueOf(128);
        Integer i4 = Integer.valueOf(128);
        System.out.println("is instance 127 equal: " + (i1 == i2));
        System.out.println("is instance 128 equal: " + (i3 == i4));
    }
}

输出:

is instance 127 equal: true
is instance 128 equal: false

上面的输出看似很奇怪,当我们进入valueOf()方法去看,便知道原因了:

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
    // 如果是[IntegerCache.low, IntegerCache.high](默认是[-128, 127])之间的值,直接从缓存中取
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

    // 内部类,用来放Integer的缓存
    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        // 缓存数组
        static final Integer cache[];

        // 静态块,初始化缓存数组
        static {
            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() {}
    }
}

默认情况下,[-127, 128]之间的值,会被放入缓存中,因为设计者认为这个区间的值的使用率相对来说会更高。其实不仅仅是Integer,其他的包装类如Long, ShortvalueOf()方法,也都有做缓存的处理。这也是享元模式的应用。所以新建包装类的时候,我们应该首先用valueOf()方法,而不是直接new

享元模式通常会跟工厂模式一起使用,因为享元模式本质上是控制过量对象的创建,而工厂模式正是常用的创建型模式,可以将共享对象创建的逻辑放在工厂类中。在上例中,Integer实际上就充当了一个工厂类,而valueOf()方法是类创建的入口。

4 总结

当需要创建大量对象,而对象之间又有很多共通之处时,可以考虑使用享元模式。而如果对象之间差异较大,引入享元模式反而会增加系统的复杂度。

文中例子的github地址

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