设计模式

Appearance

享元模式（Flyweight Pattern） ​

1. 官方定义 ​

"Use sharing to support large numbers of fine-grained objects efficiently."
—— 《Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software》(GoF, 1994)

核心：通过共享技术高效支持大量细粒度对象，减少内存占用。

2. 模式解释 ​

核心思想 ​

  • 状态分离：将对象状态分为内部状态（可共享，如字符编码）和外部状态（不可共享，如位置坐标）。
  • 对象池化：复用已存在的同类对象（如游戏中重复的树木、子弹模型）。
  • 轻量化：减少因大量重复对象导致的资源消耗（内存、GC 压力）。

典型结构 ​

plaintext
          Client → FlyweightFactory
                        △
                        | manages
                        |
                |<<Flyweight>>|
                        △
                        | stores intrinsic state
                ┌───────┴───────┐
                |               |
          ConcreteFlyweight  UnsharedFlyweight

优点 ​

  • 内存优化：显著减少对象数量（如 100 万字符仅需 26 个字母对象）。
  • 性能提升：降低垃圾回收频率和初始化开销。
  • 集中管理：享元工厂统一控制对象生命周期。

缺点 ​

  • 复杂度增加：需严格区分内部/外部状态，增加代码维护成本。
  • 线程安全风险：共享对象需处理多线程访问（如连接池中的连接对象）。

3. 解决的问题 ​

经典场景 ​

  1. 文本编辑器
    • 字符对象共享（每个字母仅存一份，位置/字体作为外部状态）。
  2. 游戏开发
    • 大量重复游戏实体（如《Minecraft》中的方块渲染）。
  3. 图形绘制
    • 重复图形元素（如 SVG 中相同图标的多处复用）。

4. 实现注意事项 ​

关键实现点 ​

  1. 状态分离设计
    • 内部状态必须完全独立于使用场景（如字符编码与颜色无关）。
  2. 享元工厂管理
    • 使用工厂类缓存和复用对象（如 FlyweightFactory.getCharacter('A')）。
  3. 不可变性保证
    • 内部状态必须不可变（否则共享会导致数据污染）。

代码示例（文本编辑器） ​

java
// 享元接口
interface Character {
    void draw(int x, int y, String color); // 外部状态：坐标和颜色
}

// 具体享元（内部状态：字符）
class ConcreteCharacter implements Character {
    private final char symbol; // 内部状态（不可变）
    
    public void draw(int x, int y, String color) {
        System.out.printf("Draw '%s' at (%d,%d) with %s\n", symbol, x, y, color);
    }
}

// 享元工厂
class CharacterFactory {
    private Map<Character, Character> pool = new HashMap<>();
    
    public Character getCharacter(char c) {
        if (!pool.containsKey(c)) {
            pool.put(c, new ConcreteCharacter(c));
        }
        return pool.get(c);
    }
}

// 客户端调用
CharacterFactory factory = new CharacterFactory();
Character a = factory.getCharacter('A');
a.draw(10, 20, "red"); // 外部状态由客户端传递

5. 实现变体 ​

类型特点适用场景
单纯享元所有对象均可共享（仅内部状态）如字符、图标等不可变对象
复合享元组合多个享元对象（如单词由字符组成）需要组合结构的场景
线程局部享元为每个线程维护独立享元池（避免锁竞争）高并发环境

6. 相似模式对比 ​

模式核心区别
单例模式单例确保全局唯一对象，享元允许多个共享对象
对象池模式对象池管理临时对象（如数据库连接），享元管理长期复用的不可变对象
原型模式通过克隆生成新对象，享元通过共享复用现有对象

7. 组合使用场景 ​

常见搭配模式 ​

  1. 工厂模式
    • 场景：通过享元工厂统一创建和管理共享对象。
  2. 组合模式
    • 场景：共享树形结构的叶子节点（如 UI 组件库中的重复按钮）。
  3. 状态模式
    • 场景：共享状态对象（如游戏角色的行走/奔跑状态）。

总结
享元模式是大规模对象复用的内存救星，其核心在于分离内部/外部状态并通过工厂集中管理共享池。在需要处理海量相似对象的系统中（如大型游戏、文档处理），它能显著降低资源消耗，但需谨慎设计状态分离策略以避免线程安全问题。Java 的 String 常量池是享元模式的经典实践。```