设计模式-享元模式
定义
面向对象技术可以很好地解决一些灵活性或可扩展性问题,但是很多情况下需要在系统中增加类和对象的个数.当对象数量太多时,将导致运行代价过高,带来性能下降等问题.享元模式正是为解决这一类问题而诞生的.
享元模式(Flyweight Pattern)又称为轻量级模式,是对象池的一种实现.类似于线程池,线程池可以避免不停的创建和销毁多个对象,消耗性能.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.其宗旨是共享细粒度对象,将多个对同一对象的访问集中起来,不必为每个访问者创建一个单独的对象,从此来降低内存的消耗,属于结构型模式.
享元模式把一个对象的状态分为内部状态和外部状态,内部状态即是不变的,外部状态是变化的,然后通过共享不变的部分,达到减少对象数量并节约内存的目的.
享元模式的本质是缓存共享对象,降低内存消耗.
首先,我们来看向远模式的通用UML类图:
抽象享元角色(FlyWeight):享元对象抽象基类或者接口,同时定义出对象的外部状态和内部状态的接口或实现;
具体享元角色(ConcreteFlyWeight):实现抽象角色定义的业务.该角色的内部状态处理应该与环境无关,不能出现同时改变内部状态和外部状态的操作;
享元工厂(FlyWeightFactory):负责管理享元对象池和创建享元对象.
适用场景
当系统中多处需要同一组信息时,可以把这些信息封装到一个对象中,然后对该对象进行缓存,这样,一个对象就可以提供给多处需要使用的地方,避免大量同一对象的多次创建,消耗大量内存空间.
享元模式其实就是工厂模式的一个改进机制,享元模式 同样要求创建一个或一组对象,并且就是通过工厂方法生成对象的,只不过享元模式为工厂方法增加了缓存这一功能.
主要应用场景:
1、常常应用于系统底层的开发,以便解决系统的性能问题.
2、系统有大量相似对象、需要缓冲池的场景.
在生活中的享元模式也很常见,比如各中介机构的房源共享,再比如全国社保联网.
使用享元模式实现共享池业务
我们举个例子,我们每年春节为了抢到一张回家的火车票都要大费周折,进而出现了很多刷票软件,刷票软件会将我们填写的信息缓存起来,然后定时检查余票信息.抢票的时候,我们肯定要查询下有没有我们需要的票,这里我们假设一张火车的信息包含:出发站、目的站、价格、座位类别.现在要求编写一个查询火车票查询伪代码,可以通过出发站、目的站查到相关票.
比如:要求通过出发站、目的站查询火车票,那么我们只需构建出火车票类对象,然后提供一个查询出发站、目的站的接口给到客户进行查询即可,具体代码如下:
分析上面的代码,我们发现客户端进行查询时,系统通过TicketFactory直接创建一个火车票对象,但是这样做的话,当某个瞬间如果有大量的用户请求同一张票的信息时,系统就会创建出大量该火车票对象,系统内存压力骤增.而其实更好的做法应该是缓存该票对象,然后复用提供给其他查询请求,这样一个对象就足以支撑数以千计的查询请求,对内存完全无压力,使用享元模式可以很好地解决这个问题.
我们继续优化代码,只需要在TicketFactory类中进行更改,增加缓存机制:
可以看到,除了第一次查询创建对象后,后续查询相同车次票信息都是使用缓存对象,无需创建新对象了.来看一下类结构图:
其中ITicket就是抽象享元角色,TrainTicket就是具体享元角色,TicketFactory就是享元工厂.有些小伙伴一定会有疑惑啦,这不就是注册式的单例模式吗?对,这就是注册式单例模式.孙然,结构上很像,但是享元模式的重点在结构上,而不是在创建对象上.后面看看享元模式在JDK源吗汇总的一个应用,大家应该就能彻底明白了.
再比如:我们经常使用的数据库连接池,因为我们使用Connection对象时主要性能消耗在建立连接和关闭连接的时候,为了提高Connection在调用时的性能,我们将Connection对象在调用前创建好缓存起来,用的时候从缓存中取值,用完再放回去,达到资源重复利用的目的.来看下面代码:
这样的连接池,普遍应用于开源框架,有效提升底层的运行性能.
享元模式在源码中的应用
1、String中的享元模式
Java中将String定义为final(不可改变的),JVM中字符串一般保存在字符串常量池中,java会确保一个字符串在常量池中只有一个拷贝,这个字符串常量池在JDK6.0以前是位于常量池中,位于永久代,而在JDK7.0中,JVM将其从永久代拿出来放置于堆上.当创建一个字符串时,如果字符串常量池中有该对象对应的字面量,则返回该字面量在字符串常量池中的引用,否则,创建复制一份该字面量到字符串常量池并返回它的引用.
2、Integer中的享元模式
在Integer源码中的valueOf()方法做了一个条件判断,如果目标值在-128到127之间,则直接从缓存中取值,否则新建对象.那JDK为何要这样做呢?因为在-128到127之间的数据在int范围内是使用最频繁的,为了节省频繁创建对象带来的内存消耗,这里就用到了享元模式,来提高性能.
3、Long中的享元模式
同上.
4、Apache Commons Pool2中的享元模式
一种对象池实现.
享元模式的内部状态和外部状态
享元模式的定义为我们提出了两个要求:细粒度和共享对象.因为要求细粒度对象,所以不可避免地会使对象数量多且性质相近,此时我们就将这些对象的信息分为两个部分:内部状态和外部状态.
内部状态指对象共享出来的信息,存储在享元对象内部且不会随环境的变化而变化;外部状态指对象得以依赖的一个标记,是随环境变化而变化的、不可共享的状态.
优点
1、减少对象的创建,降低内存中对象的数量,降低系统的内存,提高效率;
2、减少内存之外的其他资源占用.
缺点
1、关注内、外状态,关注线程安全问题;
2、使系统、程序的逻辑复杂化.