你所不知道的Java设计之享元模式

享元模式（Flyweight Pattern）： 运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用，系统只使用少量对象，而这些对象都很相似，状态变化很小，可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象，因此它又称为轻量级模式，它是一种对象结构型模式。

当系统中存在大量相似或相同的对象时，将会导致运行代价过高、性能下降、OOM 等问题，享元模式正为解决之一类问题而诞生

在学习享元模式之前需要先了解一下细粒度和享元对象中的内部状态、外部状态这三个概念：

内部状态：不随环境改变而改变的状态，内部状态可以共享，例如人的性别，不管任何环境下都不会改变
外部状态：随着环境改变而改变的状态，不可以共享的状态，享元对象的外部状态通常由客户端保存，并在享元对象创建后，需要的时候传入享元对象内部，不同的外部状态是相互独立的。例如衣服和鞋子，人在不同的环境下会穿不同的衣服和鞋子，但是衣服和鞋子又是相互独立不受彼此影响的
细粒度：较小的对象，所包含的内部状态较小

Flyweight（抽象享元类）： 通常是接口或抽象类，抽象享元类中声明了具体享元类公共方法，这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同时也可以通过这些方法来设置外部数据（外部状态）
ConcreteFlyweight（具体享元类）： 继承抽象享元类，在具体享元类中为内部状态提供存储空间。通常可以结合单例模式来设计具体享元类，为每一个具体享元类提供唯一的享元对象
UnshareConcreteFlyweight（非分享具体享元类）： 并不是所有的具体享元类都需要被共享，不能被共享的子类可以设计为非共享具体享元类，当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建
FlyweightFactory（享元工厂类）： 创建并管理享元对象，将各种具体享元类存储到一个享元池中，享元池一般为“键值对”集合，可以结合工厂模式进行设计。当用户请求一个具体享元对象时，享元池中如果保存的有就直接返回给用户，如果没有就创建该享元对象返回给用户并存储到享元池中

上面的图片是众所周知的俄罗斯方块中的一个个方块，这次就拿这个游戏举个栗子，如果在俄罗斯方块这个游戏中，每个不同的方块都是一个实例对象，这些对象就要占用很多的内存空间，下面利用享元模式进行改造： Flyweight 类：

public abstract class AbstractBox {    
    public abstract String getShape();    
        public void display() {
        LogUtils.i("方块形状：" + this.getShape());
    }
}

ConcreteFlyweight 类：

// I形方块
public class IBox extends AbstractBox {
    @Override
    public String getShape() {        
        return "I";
    }
}
// L形方块
public class LBox extends AbstractBox {
    @Override
    public String getShape() {        
        return "L";
    }
}
  // O形方块
public class OBox extends AbstractBox {
    @Override
    public String getShape() {        
      return "O";
    }
}

FlyweightFactory 类：

public class BoxFactory {    
    private static class SingletonHolder {        
         private static final BoxFactory INSTANCE = new BoxFactory();
    }    
     public static final BoxFactory getInstance() {        
         return SingletonHolder.INSTANCE;
    }    
   private static Hashtable<String, AbstractBox> sHashtable;    
   private BoxFactory() {
        sHashtable = new Hashtable<>();
        AbstractBox iBox = new IBox();
        AbstractBox lBox = new LBox();
        AbstractBox oBox = new OBox();
        sHashtable.put("I", iBox);
        sHashtable.put("L", lBox);
        sHashtable.put("O", oBox);
    }    
   public AbstractBox getBox(String key) {        
       return sHashtable.get(key);
    }
}

Client 类：

AbstractBox i1 = BoxFactory.getInstance().getBox("I");
i1.display();
AbstractBox i2 = BoxFactory.getInstance().getBox("L");
i2.display();
AbstractBox i3 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
i3.display();
AbstractBox i4 = BoxFactory.getInstance().getBox("O");
i4.display();// 用 == 对比两个对象的内存地址
LogUtils.i("两个对象是否相等：" + (i3 == i4));

可以看出，所有的方块都从工厂类中获取，而且是同一个对象，不用重新创建对象导致占用过多的内存。看完了之后内部状态的享元模式，下面接着看带有外部状态的享元模式，接下来给不同的方块染上不同的染色：
FlyweightFactory 类：

public class ExtrinsicStateBoxFactory {    
    private static class SingletonHolder {        
        private static final ExtrinsicStateBoxFactory INSTANCE = new ExtrinsicStateBoxFactory();
    }    
    public static final ExtrinsicStateBoxFactory getInstance() {        
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }    
    private static Hashtable<String, ExtrinsicStateBox> sHashtable;    
        private ExtrinsicStateBoxFactory() {
        sHashtable = new Hashtable<>();
        ExtrinsicStateBox jBox = new JBox();
        sHashtable.put("J", jBox);
    }    
    public ExtrinsicStateBox getBox(String key) {        
        return sHashtable.get(key);
    }
}

ConcreteFlyweight 类：

public class JBox extends ExtrinsicStateBox {
    @Override
    public String getShape() {        
        return "J";
    }
}
Flyweight 类：
public abstract class ExtrinsicStateBox {    
    public abstract String getShape();    
        public void display(String color) {
        LogUtils.i("方块形状：" + this.getShape() + " 颜色：" + color);
    }
}

在调用 display() 的时候传入颜色的外部状态，虽然方块对象还是一个对象，但是它们可以具有不同的颜色
优点

极大减少内存中相似或相同对象数量，节约系统资源，提供系统性能
享元模式中的外部状态相对独立，且不影响内部状态

缺点

为了使对象可以共享，需要将享元对象的部分状态外部化，分离内部状态和外部状态，使程序逻辑复杂

适用场景

系统中具有大量相同或相似对象
对象大部分状态都可以外部化
享元池耗费一定系统资源，需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式

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