享元模式（Flyweight）

在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)面臨要?jiǎng)?chuàng)建大量相同或相似對(duì)象實(shí)例的問(wèn)題。創(chuàng)建那么多的對(duì)象將會(huì)耗費(fèi)很多的系統(tǒng)資源，它是系統(tǒng)性能提高的一個(gè)瓶頸。例如，圍棋和五子棋中的黑白棋子，圖像中的坐標(biāo)點(diǎn)或顏色，局域網(wǎng)中的路由器、交換機(jī)和集線器，教室里的桌子和凳子等。這些對(duì)象有很多相似的地方，如果能把它們相同的部分提取出來(lái)共享，則能節(jié)省大量的系統(tǒng)資源，這就是享元模式的產(chǎn)生背景。

享元模式的定義與特點(diǎn)

• 享元（Flyweight）模式的定義：
  運(yùn)用共享技術(shù)來(lái)有効地支持大量細(xì)粒度對(duì)象的復(fù)用。它通過(guò)共享已經(jīng)存在的又橡來(lái)大幅度減少需要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象數(shù)量、避免大量相似類的開(kāi)銷，從而提高系統(tǒng)資源的利用率。
• 享元模式的優(yōu)點(diǎn)：
  相同對(duì)象只要保存一份，這降低了系統(tǒng)中對(duì)象的數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)中細(xì)粒度對(duì)象給內(nèi)存帶來(lái)的壓力。
• 享元模式的缺點(diǎn)：
  1.為了使對(duì)象可以共享，需要將一些不能共享的狀態(tài)外部化，這將增加程序的復(fù)雜性。
  2.讀取享元模式的外部狀態(tài)會(huì)使得運(yùn)行時(shí)間稍微變長(zhǎng)。

享元模式的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

享元模式中存在以下兩種狀態(tài)：

1. 內(nèi)部狀態(tài)，即不會(huì)隨著環(huán)境的改變而改變的可共享部分；
2. 外部狀態(tài)，指隨環(huán)境改變而改變的不可以共享的部分。享元模式的實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)就是區(qū)分應(yīng)用中的這兩種狀態(tài)，并將外部狀態(tài)外部化。下面來(lái)分析其基本結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

1. 模式的結(jié)構(gòu)

享元模式的主要角色有如下。

1. 抽象享元角色（Flyweight）: 是所有的具體享元類的基類，為具體享元規(guī)范需要實(shí)現(xiàn)的公共接口，非享元的外部狀態(tài)以參數(shù)的形式通過(guò)方法傳入。
2. 具體享元（Concrete Flyweight）角色： 實(shí)現(xiàn)抽象享元角色中所規(guī)定的接口。
3. 非享元（Unsharable Flyweight)角色： 是不可以共享的外部狀態(tài)，它以參數(shù)的形式注入具體享元的相關(guān)方法中。
4. 享元工廠（Flyweight Factory）角色： 負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理享元角色。當(dāng)客戶對(duì)象請(qǐng)求一個(gè)享元對(duì)象時(shí)，享元工廠檢査系統(tǒng)中是否存在符合要求的享元對(duì)象，如果存在則提供給客戶；如果不存在的話，則創(chuàng)建一個(gè)新的享元對(duì)象。

圖 1 是享元模式的結(jié)構(gòu)圖。圖中的 UnsharedConcreteFlyweight 是與淳元角色，里面包含了非共享的外部狀態(tài)信息 info；而 Flyweight 是抽象享元角色，里面包含了享元方法 operation(UnsharedConcreteFlyweight state)，非享元的外部狀態(tài)以參數(shù)的形式通過(guò)該方法傳入；ConcreteFlyweight 是具體享元角色，包含了關(guān)鍵字 key，它實(shí)現(xiàn)了抽象享元接口；FlyweightFactory 是享元工廠角色，它逝關(guān)鍵字 key 來(lái)管理具體享元；客戶角色通過(guò)享元工廠獲取具體享元，并訪問(wèn)具體享元的相關(guān)方法。

圖1 享元模式的結(jié)構(gòu)圖

2. 模式的實(shí)現(xiàn)

享元模式的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

package flyweight;
import java.util.HashMap;
public class FlyweightPattern
{
    public static void main(String[] args)
    {
        FlyweightFactory factory=new FlyweightFactory();
        Flyweight f01=factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f02=factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f03=factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f11=factory.getFlyweight("b");
        Flyweight f12=factory.getFlyweight("b");       
        f01.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次調(diào)用a。"));       
        f02.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次調(diào)用a。"));       
        f03.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第3次調(diào)用a。"));       
        f11.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次調(diào)用b。"));       
        f12.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次調(diào)用b。"));
    }
}
//非享元角色
class UnsharedConcreteFlyweight
{
    private String info;
    UnsharedConcreteFlyweight(String info)
    {
        this.info=info;
    }
    public String getInfo()
    {
        return info;
    }
    public void setInfo(String info)
    {
        this.info=info;
    }
}
//抽象享元角色
interface Flyweight
{
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight state);
}
//具體享元角色
class ConcreteFlyweight implements Flyweight
{
    private String key;
    ConcreteFlyweight(String key)
    {
        this.key=key;
        System.out.println("具體享元"+key+"被創(chuàng)建！");
    }
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight outState)
    {
        System.out.print("具體享元"+key+"被調(diào)用，");
        System.out.println("非享元信息是:"+outState.getInfo());
    }
}
//享元工廠角色
class FlyweightFactory
{
    private HashMap<String, Flyweight> flyweights=new HashMap<String, Flyweight>();
    public Flyweight getFlyweight(String key)
    {
        Flyweight flyweight=(Flyweight)flyweights.get(key);
        if(flyweight!=null)
        {
            System.out.println("具體享元"+key+"已經(jīng)存在，被成功獲??！");
        }
        else
        {
            flyweight=new ConcreteFlyweight(key);
            flyweights.put(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

程序運(yùn)行結(jié)果如下：

具體享元a被創(chuàng)建！
具體享元a已經(jīng)存在，被成功獲??！
具體享元a已經(jīng)存在，被成功獲?。?具體享元b被創(chuàng)建！
具體享元b已經(jīng)存在，被成功獲?。?具體享元a被調(diào)用，非享元信息是:第1次調(diào)用a。
具體享元a被調(diào)用，非享元信息是:第2次調(diào)用a。
具體享元a被調(diào)用，非享元信息是:第3次調(diào)用a。
具體享元b被調(diào)用，非享元信息是:第1次調(diào)用b。
具體享元b被調(diào)用，非享元信息是:第2次調(diào)用b。

享元模式的實(shí)例

【例】享元模式在五子棋游戲中的應(yīng)用。

分析：五子棋同圍棋一樣，包含多個(gè)“黑”或“白”顏色的棋子，所以用享元模式比較好。

本實(shí)例中的棋子（ChessPieces）類是抽象享元角色，它包含了一個(gè)落子的 DownPieces(Graphics g,Point pt) 方法；白子（WhitePieces）和黑子（BlackPieces）類是具體享元角色，它實(shí)現(xiàn)了落子方法；Point 是非享元角色，它指定了落子的位置；WeiqiFactory 是享元工廠角色，它通過(guò) ArrayList 來(lái)管理棋子，并且提供了獲取白子或者黑子的 getChessPieces(String type) 方法；客戶類（Chessboard）利用 Graphics 組件在框架窗體中繪制一個(gè)棋盤，并實(shí)現(xiàn) mouseClicked(MouseEvent e) 事件處理方法，該方法根據(jù)用戶的選擇從享元工廠中獲取白子或者黑子并落在棋盤上。圖 2 所示是其結(jié)構(gòu)圖。

圖2 五子棋游戲的結(jié)構(gòu)圖

程序代碼如下：

package flyweight;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.util.ArrayList;
import javax.swing.*;
public class WzqGame
{
    public static void main(String[] args)
    {
        new Chessboard();
    }
}
//棋盤
class Chessboard extends MouseAdapter
{
    WeiqiFactory wf;
    JFrame f;   
    Graphics g;
    JRadioButton wz;
    JRadioButton bz;
    private final int x=50;
    private final int y=50;
    private final int w=40;    //小方格寬度和高度
    private final int rw=400;    //棋盤寬度和高度
    Chessboard()
    {
        wf=new WeiqiFactory();
        f=new JFrame("享元模式在五子棋游戲中的應(yīng)用");
        f.setBounds(100,100,500,550);
        f.setVisible(true);       
        f.setResizable(false);
        f.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        JPanel SouthJP=new JPanel();
        f.add("South",SouthJP);
        wz=new JRadioButton("白子");
        bz=new JRadioButton("黑子",true);
        ButtonGroup group=new ButtonGroup();
        group.add(wz);
        group.add(bz);
        SouthJP.add(wz);
        SouthJP.add(bz);      
        JPanel CenterJP=new JPanel();
        CenterJP.setLayout(null);
        CenterJP.setSize(500, 500);
        CenterJP.addMouseListener(this);
        f.add("Center",CenterJP);      
        try
        {
            Thread.sleep(500);
        }
        catch(InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }               
        g=CenterJP.getGraphics();
        g.setColor(Color.BLUE);   
        g.drawRect(x, y, rw, rw);
        for(int i=1;i<10;i++)
        {
            //繪制第i條豎直線
            g.drawLine(x+(i*w),y,x+(i*w),y+rw);
            //繪制第i條水平線
            g.drawLine(x,y+(i*w),x+rw,y+(i*w));
        }   
    }
    public void mouseClicked(MouseEvent e)
    {
        Point pt=new Point(e.getX()-15,e.getY()-15);
        if(wz.isSelected())
        {
            ChessPieces c1=wf.getChessPieces("w");
            c1.DownPieces(g,pt);
        }
        else if(bz.isSelected())
        {
            ChessPieces c2=wf.getChessPieces("b");       
            c2.DownPieces(g,pt);  
        }
    }
}
//抽象享元角色：棋子
interface ChessPieces
{
    public void DownPieces(Graphics g,Point pt);    //下子
}
//具體享元角色：白子
class WhitePieces implements ChessPieces
{
    public void DownPieces(Graphics g,Point pt)
    {       
        g.setColor(Color.WHITE);
        g.fillOval(pt.x,pt.y,30,30);
    }
}
//具體享元角色：黑子
class BlackPieces implements ChessPieces
{
    public void DownPieces(Graphics g,Point pt)
    {
        g.setColor(Color.BLACK);
        g.fillOval(pt.x,pt.y,30,30);
    }
}
//享元工廠角色
class WeiqiFactory
{
    private ArrayList<ChessPieces> qz;   
    public WeiqiFactory()
    {
        qz=new ArrayList<ChessPieces>();
        ChessPieces w=new WhitePieces();
        qz.add(w);
        ChessPieces b=new BlackPieces();
        qz.add(b);
    }   
    public ChessPieces getChessPieces(String type)
    {
        if(type.equalsIgnoreCase("w"))
        {
            return (ChessPieces)qz.get(0);
        }
        else if(type.equalsIgnoreCase("b"))
        {
            return (ChessPieces)qz.get(1);
        }
        else
        {
            return null;
        }
    }
}

程序運(yùn)行結(jié)果如圖 3 所示。

圖3 五子棋游戲的運(yùn)行結(jié)果

享元模式的應(yīng)用場(chǎng)景

1. 系統(tǒng)中存在大量相同或相似的對(duì)象，這些對(duì)象耗費(fèi)大量的內(nèi)存資源。
2. 大部分的對(duì)象可以按照內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行分組，且可將不同部分外部化，這樣每一個(gè)組只需保存一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)。
3. 由于享元模式需要額外維護(hù)一個(gè)保存享元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)當(dāng)在有足夠多的享元實(shí)例時(shí)才值得使用享元模式。

享元模式的擴(kuò)展

在前面介紹的享元模式中，其結(jié)構(gòu)圖通常包含可以共享的部分和不可以共享的部分。在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)候會(huì)稍加改變，即存在兩種特殊的享元模式：?jiǎn)渭兿碓Ｊ胶蛷?fù)合享元模式，下面分別對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

(1) 單純享元模式，這種享元模式中的所有的具體享元類都是可以共享的，不存在非共享的具體享元類，其結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

圖4 單純享元模式的結(jié)構(gòu)圖

(2) 復(fù)合享元模式，這種享元模式中的有些享元對(duì)象是由一些單純享元對(duì)象組合而成的，它們就是復(fù)合享元對(duì)象。雖然復(fù)合享元對(duì)象本身不能共享，但它們可以分解成單純享元對(duì)象再被共享，其結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示。

圖5 復(fù)合享元模式的結(jié)構(gòu)圖