1、什么是享元模式
享元模式（Flyweight Pattern）主要用于减少创建对象的数量，以减少内存占用和提高性能。这种类型的设计模式属于结构型模式，它提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。
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，前提是享元对象是不可变对象。
2、为什么要使用享元模式
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。
这里我稍微解释一下，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。
3、例子
3.1、GoF（简单）
package Flyweight.version1;import java.util.HashMap;public class Main {public static void main(String[] args) {int extrinsic = 22;Flyweight flyweightX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");flyweightX.operate(++extrinsic);Flyweight flyweightY = FlyweightFactory.getFlyweight("Y");flyweightY.operate(++extrinsic);Flyweight flyweightZ = FlyweightFactory.getFlyweight("Z");flyweightZ.operate(++extrinsic);Flyweight flyweightReX = FlyweightFactory.getFlyweight("X");flyweightReX.operate(++extrinsic);Flyweight flyweightReY = FlyweightFactory.getFlyweight("Y");flyweightReY.operate(++extrinsic);Flyweight flyweightReZ = FlyweightFactory.getFlyweight("Z");flyweightReZ.operate(++extrinsic);Flyweight unsharedFlyweight = new UnsharedConcreteFlyweight("X");unsharedFlyweight.operate(++extrinsic);}}/*** Flyweight类，它是所有具体享元类的超类或接口，通过这个接口，Flyweight可以接受并作用于外部状态。*/abstract class Flyweight {//内部状态public String intrinsic;//外部状态protected final String extrinsic;//要求享元角色必须接受外部状态public Flyweight(String extrinsic) {this.extrinsic = extrinsic;}//定义业务操作public abstract void operate(int extrinsic);public String getIntrinsic() {return intrinsic;}public void setIntrinsic(String intrinsic) {this.intrinsic = intrinsic;}}/*** ConcreteFlyweight是继承Flyweight超类或实现Flyweight接口，并为内部状态增加存储空间*/class ConcreteFlyweight extends Flyweight {//接受外部状态public ConcreteFlyweight(String extrinsic) {super(extrinsic);}//根据外部状态进行逻辑处理@Overridepublic void operate(int extrinsic) {System.out.println("具体Flyweight:" + extrinsic);}}/*** UnsharedConcreteFlyweight是指那些不需要共享的Flyweight子类。因为Flyweight接口共享成为可能，但它并不强制共享。*/class UnsharedConcreteFlyweight extends Flyweight {public UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsic) {super(extrinsic);}@Overridepublic void operate(int extrinsic) {System.out.println("不共享的具体Flyweight:" + extrinsic);}}/*** FlyweightFactory，是一个享元工厂，用来创建并管理Flyweight对象。它主要是用来确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例或者创建一个（如果不存在的话）。*/class FlyweightFactory {//定义一个池容器private static HashMap<String, Flyweight> pool = new HashMap<>();//享元工厂public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic) {Flyweight flyweight = null;if (pool.containsKey(extrinsic)) { //池中有该对象flyweight = pool.get(extrinsic);System.out.print("已有 " + extrinsic + " 直接从池中取---->");} else {//根据外部状态创建享元对象flyweight = new ConcreteFlyweight(extrinsic);//放入池中pool.put(extrinsic, flyweight);System.out.print("创建 " + extrinsic + " 并从池中取出---->");}return flyweight;}}
3.2、象棋
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。
//棋子
class ChessPiece {
private int id;
private String text;
private Color color;
private int positionX;
private int positionY;
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...
}
//棋局
class ChessBoard {
private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
public ChessBoard() {
init();
}
private void init() {
chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "车", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0));
chessPieces.put(2, new ChessPiece(2, "马", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));
chessPieces.put(3, new ChessPiece(2, "炮", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 2));
chessPieces.put(4, new ChessPiece(2, "象", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 3));
chessPieces.put(5, new ChessPiece(2, "士", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 4));
//...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。像刚刚的实现方式，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
class ChessPieceUnit {
private int id;
private String text;
private Color color;
public ChessPieceUnit(int id, String text, Color color) {
this.id = id;
this.text = text;
this.color = color;
}
public static enum Color {
RED, BLACK
}
// ...省略其他属性和getter方法...
}
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));
//...省略摆放其他棋子的代码...
}
public static ChessPieceUnit getChessPiece(int chessPieceId) {
return pieces.get(chessPieceId);
}
}
class ChessPiece {
private ChessPieceUnit chessPieceUnit;
private int positionX;
private int positionY;
public ChessPiece(ChessPieceUnit unit, int positionX, int positionY) {
this.chessPieceUnit = unit;
this.positionX = positionX;
this.positionY = positionY;
}
// 省略getter、setter方法
}
class ChessBoard {
private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
public ChessBoard() {
init();
}
private void init() {
chessPieces.put(1, new ChessPiece(
ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(1), 0, 0));
chessPieces.put(1, new ChessPiece(
ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(2), 1, 0));
//...省略摆放其他棋子的代码...
}
public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
//...省略...
}
}
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。
3.3、文本编辑器
弄懂了享元模式的原理和实现之后，我们再来看另外一个例子，也就是文章标题中给出的：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，我们假设这个文本编辑器只实现了文字编辑功能，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，我们要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，格式又包括文字的字体、大小、颜色等信息。
尽管在实际的文档编写中，我们一般都是按照文本类型（标题、正文……）来设置文字的格式，标题是一种格式，正文是另一种格式等等。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格式设置，并且代码实现又不过于太复杂，我们把每个文字都当作一个独立的对象来看待，并且在其中包含它的格式信息。具体的代码示例如下所示：
//文字
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;
}
}
//编辑器
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，我们每敲一个文字，都会调用 Editor 类中的 appendCharacter() 方法，创建一个新的 Character 对象，保存到 chars 数组中。如果一个文本文件中，有上万、十几万、几十万的文字，那我们就要在内存中存储这么多 Character 对象。那有没有办法可以节省一点内存呢？
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，我们对上面的代码进行重构。重构后的代码如下所示：
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;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) o;
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);
}
}
3.4、Java Integer
我们先来看下面这样一段代码。你可以先思考下，这段代码会输出什么样的结果。
Integer i1 = 56;
Integer i2 = 56;
Integer i3 = 129;
Integer i4 = 129;
System.out.println(i1 == i2);
System.out.println(i3 == i4);
true
false
前 4 行赋值语句都会触发自动装箱操作，也就是会创建 Integer 对象并且赋值给 i1、i2、i3、i4 这四个变量。根据刚刚的讲解，i1、i2 尽管存储的数值相同，都是 56，但是指向不同的 Integer 对象，所以通过“==”来判定是否相同的时候，会返回 false。同理，i3==i4 判定语句也会返回 false。
不过，上面的分析还是不对，答案并非是两个 false，而是一个 true，一个 false。看到这里，你可能会比较纳闷了。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。看代码更加清晰一些，Integer 类的 valueOf() 函数的具体代码如下所示：
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，我们上一节课中讲的生成享元对象的工厂类，只不过名字不叫 xxxFactory 而已。我们来看它的具体代码实现。这个类是 Integer 的内部类，你也可以自行查看 JDK 源码。
/**
* Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
* -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
*
* The cache is initialized on first usage. The size of the cache
* may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.
* During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
* may be set and saved in the private system properties in the
* sun.misc.VM class.
*/
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() {}
}
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 i1==i2 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 i3==i4 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 到 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。
3.5、Java String
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 = "小争哥";
String s2 = "小争哥";
String s3 = new String("小争哥");
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。
4、总结
4.1、优缺点
1）优点
2）缺点
4.2、享元模式 vs 单例、缓存、对象池
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？我们来简单对比一下。
1）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。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。
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。
2）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。
3）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？
你可能对连接池、线程池比较熟悉，对对象池比较陌生，所以，这里我简单解释一下对象池。像 C++ 这样的编程语言，内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地进行对象创建和释放导致内存碎片，我们可以预先申请一片连续的内存空间，也就是这里说的对象池。每次创建对象时，我们从对象池中直接取出一个空闲对象来使用，对象使用完成之后，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。
4.3、关于享元模式的一些问题
若有收获，就点个赞吧
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