java23种设计模式-享元模式

享元模式（Flyweight Pattern）学习笔记

1. 模式定义

结构型设计模式，通过共享技术实现大量细粒度对象的复用，有效减少内存占用并提高性能。核心思想：分离内部状态（可共享）与外部状态（不可共享）

2. 适用场景

✅ 系统中存在大量相似对象

✅ 对象的大部分状态可以外部化

✅ 需要缓存池或对象池的应用

✅ 需要减少内存占用和提高性能的场景

3. 模式结构

creates

requests

FlyweightFactory

-pool: Map

+getFlyweight(key)

«interface»

Flyweight

+operation(extrinsicState)

ConcreteFlyweight

-intrinsicState

+operation(extrinsicState)

UnsharedConcreteFlyweight

-allState

+operation(extrinsicState)

Client

-flyweights: List

+addFlyweight()

+executeOperations()

4. 核心角色

角色	说明
Flyweight	抽象享元接口，定义操作接口
ConcreteFlyweight	具体享元类，包含内部状态（可共享）
UnsharedConcreteFlyweight	非共享具体享元类（可选）
FlyweightFactory	享元工厂类，管理享元对象池
Client	客户端，维护外部状态并调用享元对象

5. 状态说明

状态类型	说明
内部状态	存储在享元对象内部，可以被多个上下文共享的信息
外部状态	随上下文变化的信息，由客户端保存并在调用时传入

6. 代码示例

6.1 文字编辑器字符对象

// 抽象享元
interface Character {
    void display(int x, int y, String color);
}

// 具体享元
class ConcreteCharacter implements Character {
    private char symbol;  // 内部状态
    
    public ConcreteCharacter(char symbol) {
        this.symbol = symbol;
    }

    @Override
    public void display(int x, int y, String color) {  // 外部状态
        System.out.printf("显示字符 %c 在(%d,%d)，颜色：%s%n", symbol, x, y, color);
    }
}

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

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        CharacterFactory factory = new CharacterFactory();
        
        List<Character> document = new ArrayList<>();
        document.add(factory.getCharacter('H'));
        document.add(factory.getCharacter('e'));
        document.add(factory.getCharacter('l'));
        document.add(factory.getCharacter('l'));
        document.add(factory.getCharacter('o'));

        int x = 0;
        for (Character c : document) {
            c.display(x++, 0, "black");  // 传递外部状态
        }
    }
}

7. 模式变种

1. 复合享元模式：将多个单纯享元组合成复合对象
2. 线程级享元：结合ThreadLocal实现线程级共享
3. 带缓存清理机制：实现LRU缓存策略管理享元对象

8. 优缺点分析

✔️ 优点：

• 极大减少内存中对象的数量
• 外部状态相对独立，增强程序灵活性
• 享元对象可被不同场景复用

❌ 缺点：

• 增加系统复杂度（需要分离内外状态）
• 需要额外关注线程安全问题
• 可能影响程序执行效率（查找/计算外部状态）

9. 相关模式对比

模式	目的	关键区别
单例模式	控制实例数量	享元可能有多个不同实例
原型模式	对象克隆	享元强调共享已有对象
对象池模式	重用对象	对象池管理临时对象，享元管理永久对象

10. 实际应用案例

• Java String常量池（-128~127的Integer缓存）
• 棋牌游戏的棋子对象管理
• 文档编辑器中的字符/段落格式
• 图形编辑器中的图形对象
• 数据库连接池

11. 最佳实践建议

1. 严格区分内部状态和外部状态
2. 使用不可变对象作为享元对象
3. 对享元工厂实现缓存淘汰策略（LRU）
4. 考虑使用WeakReference管理享元池
5. 外部状态参数尽量使用基本类型或不可变对象
6. 多线程环境下需要同步处理享元工厂

记忆技巧：把享元模式想象成"共享单车"系统，单车（内部状态）是共享的，用户（外部状态）各自的使用位置不同。