享元模式

享元模式是一種結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式，旨在通過(guò)共享盡可能多的數(shù)據(jù)來(lái)最小化內(nèi)存使用和提高性能。在享元模式中，對(duì)象被分為內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)。內(nèi)部狀態(tài)是可以共享的，而外部狀態(tài)是根據(jù)對(duì)象的上下文而變化的。

在實(shí)現(xiàn)享元模式時(shí)，通常會(huì)創(chuàng)建一個(gè)工廠類(lèi)來(lái)管理共享的對(duì)象實(shí)例，并在需要時(shí)返回已存在的實(shí)例，而不是創(chuàng)建新的實(shí)例。這樣可以減少內(nèi)存占用，并且可以提高系統(tǒng)的性能。

應(yīng)用場(chǎng)景

享元模式適用于需要共享大量對(duì)象、減少內(nèi)存占用、優(yōu)化性能的場(chǎng)景。

1. 對(duì)象的數(shù)量非常大，且占用大量?jī)?nèi)存。通過(guò)享元模式可以共享對(duì)象，減少內(nèi)存占用。
2. 對(duì)象的大部分狀態(tài)可以外部狀態(tài)，而少部分狀態(tài)可以?xún)?nèi)部狀態(tài)。通過(guò)享元模式可以將內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)分離，減少對(duì)象數(shù)量。
3. 對(duì)象的狀態(tài)可以被多個(gè)對(duì)象共享。通過(guò)享元模式可以將狀態(tài)共享，減少重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象。
4. 對(duì)象的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀頻繁，需要優(yōu)化性能。通過(guò)享元模式可以減少對(duì)象的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀，提高性能。

場(chǎng)景示例

過(guò)年回家買(mǎi)火車(chē)票是一件很困難的事，無(wú)數(shù)人用刷票軟件向服務(wù)端發(fā)出請(qǐng)求，對(duì)于每一個(gè)請(qǐng)求服務(wù)器都必須做出應(yīng)答。在用戶(hù)設(shè)置好出發(fā)地和目的地之后，每次請(qǐng)求都返回一個(gè)查詢(xún)的車(chē)票結(jié)果。為了便于理解，我們假設(shè)每次返回的只有一趟列車(chē)的車(chē)票。那么當(dāng)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人不問(wèn)斷在請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，如果每次都重新創(chuàng)建一個(gè)查詢(xún)的車(chē)票結(jié)果，那么必然會(huì)造成大量重復(fù)對(duì)象的創(chuàng)建、銷(xiāo)毀，使得 GC 任務(wù)繁重、內(nèi)存占用率高居不下。而這類(lèi)問(wèn)題通過(guò)享元模式就能夠得到很好地改善，從城市 A 到城市 B 的車(chē)輛是有限的，車(chē)上的鋪位也就是硬臥、硬臥、坐票 3 種。我們將這些可以公用的對(duì)象緩存起來(lái)，在用戶(hù)查詢(xún)時(shí)優(yōu)先使用緩存，如果沒(méi)有緩存則重新創(chuàng)建。這樣就將成千上萬(wàn)的對(duì)象變?yōu)榱丝蛇x擇的有限數(shù)量。

首先我們創(chuàng)建一個(gè) Ticket 接口，該接口定義展示車(chē)票信息的函數(shù):

public interface Ticket {
    public void showTicketInfo(String bunk);
}

它的一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)類(lèi)是 TrainTicket 類(lèi):

class TrainTicket implements Ticket {
    public String from; // 始發(fā)地
    public String to; // 目的地
    public String bunk; // 鋪位
    public int price;

    TrainTicket(String from, String to) {
        this.from = from;
        this.to = to;
    }

    @Override
    public void showTicketInfo(String bunk) {
        price = new Random().nextInt(300);
        System.out.println("購(gòu)買(mǎi) 從 " + from + " 到 " + to + "的 "
                + bunk + " 火車(chē)票" + ", 價(jià)格 : " + price);
    }
}

數(shù)據(jù)庫(kù)中表示火車(chē)票的信息有出發(fā)地、目的地、鋪位、價(jià)格等字段，在購(gòu)票用戶(hù)每次查詢(xún)時(shí)如果沒(méi)有用某種緩存模式，那么返回車(chē)票數(shù)據(jù)的接口實(shí)現(xiàn)如下:

public class TicketFactory {

    public static Ticket getTicket(String from, String to) {
        return new TrainTicket(from, to);
    }
}

在 TicketFactory 的 getTicket 函數(shù)中每次會(huì) new 一個(gè) TrainTicket 對(duì)象，也就是說(shuō)如果在短時(shí)間內(nèi)有 10000 萬(wàn)用戶(hù)求購(gòu)北京到杭州的車(chē)票，那么北京到杭州的車(chē)票對(duì)象就會(huì)被創(chuàng)建 10000 次，當(dāng)數(shù)據(jù)返回之后這些對(duì)象變得無(wú)用了又會(huì)被虛擬機(jī)回收。此時(shí)就會(huì)造成大量的重復(fù)對(duì)象存在內(nèi)存中，GC 對(duì)這些對(duì)象的回收也會(huì)非常消耗資源。如果用戶(hù)的請(qǐng)求量很大可能導(dǎo)致系統(tǒng)變得極其緩慢，甚至可能導(dǎo)致 OOM。正如上文所說(shuō)，享元模式通過(guò)消息池的形式有效地減少了重復(fù)對(duì)象的存在。它通過(guò)內(nèi)部狀態(tài)標(biāo)識(shí)某個(gè)種類(lèi)的對(duì)象，外部程序根據(jù)這個(gè)不會(huì)變化的內(nèi)部狀態(tài)從消息池中取出對(duì)象。使得同一類(lèi)對(duì)象可以被復(fù)用，避免大量重復(fù)對(duì)象。

使用享元模式很簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單地改造一下 TicketFactory，具體代碼如下:

/**
 * 車(chē)票工廠,以出發(fā)地和目的地為key緩存車(chē)票
 * 
 */
public class TicketFactory {

    static Map<String, Ticket> sTicketMap = new ConcurrentHashMap<String, Ticket>();

    public static Ticket getTicket(String from, String to) {
        String key = from + "-" + to;
        if (sTicketMap.containsKey(key)) {
            System.out.println("使用緩存 ==> " + key);
            return sTicketMap.get(key);
        } else {
            System.out.println("創(chuàng)建對(duì)象 ==> " + key);
            Ticket ticket = new TrainTicket(from, to);
            sTicketMap.put(key, ticket);
            return ticket;
        }
    }
}

在 TicketFactory 中添加了一個(gè) map 容器，并且以出發(fā)地 + "-" + 日的地為鍵、以車(chē)票對(duì)象作為值存儲(chǔ)車(chē)票對(duì)象。這個(gè) map 的鍵就是我們說(shuō)的內(nèi)部狀態(tài)，在這里就是出發(fā)地、橫杠、目的地拼接起來(lái)的字符串，如果沒(méi)有緩存則創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，并且將這個(gè)對(duì)象緩存到 map 中，下次再有這類(lèi)請(qǐng)求時(shí)則直接從緩存中獲取。這樣即使有 10000 個(gè)請(qǐng)求北京到杭州的車(chē)票信息，那么出發(fā)地是北京、目的地是杭州的車(chē)票對(duì)象只有一個(gè)。這樣就從這個(gè)對(duì)象從 10000 減到了 1 個(gè)，避免了大量的內(nèi)存占用及頻繁的 GC 操作。簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)代碼如下:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
         Ticket ticket01 = TicketFactory.getTicket("北京", "杭州");
         ticket01.showTicketInfo("上鋪");
         Ticket ticket02 = TicketFactory.getTicket("北京", "杭州");
         ticket02.showTicketInfo("下鋪");
         Ticket ticket03 = TicketFactory.getTicket("北京", "杭州");
         ticket03.showTicketInfo("坐票");
    }
}

運(yùn)行輸出:

創(chuàng)建對(duì)象二=>北京-杭州
購(gòu)買(mǎi)從北京到杭州的上鋪火車(chē)票，價(jià)格:28

使用緩存==>北京-杭州
購(gòu)買(mǎi)從北京到杭州的下鋪火車(chē)票，價(jià)格:188

使用緩存==>北京-杭州
購(gòu)買(mǎi)從北京到杭州的坐票火車(chē)票，價(jià)格:148

從輸出結(jié)果可以看到，只有第一次查詢(xún)車(chē)票時(shí)創(chuàng)建了一次對(duì)象，后續(xù)的查詢(xún)都使用的是消息池中的對(duì)象。這其實(shí)就是相當(dāng)于一個(gè)對(duì)象緩存，避免了對(duì)象的重復(fù)創(chuàng)建與回收。在這個(gè)例子中，內(nèi)部狀態(tài)就是出發(fā)地和目的地，內(nèi)部狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化；外部狀態(tài)就是鋪位和價(jià)格，價(jià)格會(huì)隨著鋪位的變化而變化。

在 JDK 中 String 也是類(lèi)似消息池，我們知道在 Java 中 String 是存在于常量池中。也就是說(shuō)一個(gè) String 被定義之后它就被緩存到了常量池中，當(dāng)其他地方要使用同樣的字符串時(shí)，則直接使用的是緩存，而不會(huì)重復(fù)創(chuàng)建。例如下面這段代碼。

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        testString();
    }

    private static void testString() {
        String str1 = new String("abc");
        String str2 = "abc";
        String str3 = new String("abc");
        String str4 = "ab" + "c";
        // 使用equals只判定字符值
        System.out.println(str1.equals(str2));
        System.out.println(str1.equals(str3));
        System.out.println(str3.equals(str2));

        // 等號(hào)判等，判定兩個(gè)對(duì)象是不是同一個(gè)地址
        System.out.println(str1 == str2);
        System.out.println(str1 == str3);
        System.out.println(str3 == str2);
        System.out.println(str4 == str2);
    }
}

輸出:

true
true
true
false
false
false
true