Java 中的享元设计模式

发表 admin at 2024年8月26日

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今天我们将研究享元设计模式。

享元设计模式

按照GoF的说法，享元设计模式的意图是：

使用共享来有效地支持大量细粒度的对象

享元设计模式是一种结构设计模式，类似于外观模式、适配器模式和装饰模式。当我们需要创建大量类的对象时，可以使用享元设计模式。由于每个对象都会占用内存空间，而这对于低内存设备（如移动设备或嵌入式系统）来说至关重要，因此可以应用享元设计模式，通过共享对象来减少内存负载。在应用享元设计模式之前，我们需要考虑以下因素：

应用程序要创建的对象数量应该非常庞大。
对象的创建会占用大量内存并且也很耗时。
对象属性可以分为内在属性和外在属性，对象的外在属性应该由客户端程序定义。

要应用享元模式，我们需要将对象属性分为内在属性和外在属性。内在属性使对象独一无二，而外在属性由客户端代码设置并用于执行不同的操作。例如，对象 Circle 可以具有外在属性，例如颜色和宽度。要应用享元模式，我们需要创建一个返回共享对象的享元工厂。在我们的例子中，假设我们需要创建一个带有线条和椭圆的图形。因此，我们将有一个接口Shape及其具体实现Line和Oval。Oval 类将具有内在属性来确定是否用给定的颜色填充椭圆，而 Line 则没有任何内在属性。

享元设计模式接口和具体类

Shape.java

package com.journaldev.design.flyweight;

import java.awt.Color;
import java.awt.Graphics;

public interface Shape {

	public void draw(Graphics g, int x, int y, int width, int height,
			Color color);
}

Line.java

package com.journaldev.design.flyweight;

import java.awt.Color;
import java.awt.Graphics;

public class Line implements Shape {

	public Line(){
		System.out.println("Creating Line object");
		//adding time delay
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	@Override
	public void draw(Graphics line, int x1, int y1, int x2, int y2,
			Color color) {
		line.setColor(color);
		line.drawLine(x1, y1, x2, y2);
	}

}

Oval.java

package com.journaldev.design.flyweight;

import java.awt.Color;
import java.awt.Graphics;

public class Oval implements Shape {

	//intrinsic property
	private boolean fill;

	public Oval(boolean f){
		this.fill=f;
		System.out.println("Creating Oval object with fill="+f);
		//adding time delay
		try {
			Thread.sleep(2000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	@Override
	public void draw(Graphics circle, int x, int y, int width, int height,
			Color color) {
		circle.setColor(color);
		circle.drawOval(x, y, width, height);
		if(fill){
			circle.fillOval(x, y, width, height);
		}
	}

}

请注意，我特意引入了创建具体类的对象时的延迟，以表明享元模式可以用于实例化时需要大量时间的对象。

享元工厂

客户端程序将使用 flyweight 工厂来实例化对象，因此我们需要在工厂中保留一个对象映射，客户端应用程序不应访问该映射。每当客户端程序调用以获取对象实例时，它都应从 HashMap 返回，如果没有找到，则创建一个新对象并将其放入 Map 中，然后返回它。我们需要确保在创建对象时考虑所有内在属性。我们的 flyweight 工厂类如下所示。ShapeFactory.java

package com.journaldev.design.flyweight;

import java.util.HashMap;

public class ShapeFactory {

	private static final HashMap<ShapeType,Shape> shapes = new HashMap<ShapeType,Shape>();

	public static Shape getShape(ShapeType type) {
		Shape shapeImpl = shapes.get(type);

		if (shapeImpl == null) {
			if (type.equals(ShapeType.OVAL_FILL)) {
				shapeImpl = new Oval(true);
			} else if (type.equals(ShapeType.OVAL_NOFILL)) {
				shapeImpl = new Oval(false);
			} else if (type.equals(ShapeType.LINE)) {
				shapeImpl = new Line();
			}
			shapes.put(type, shapeImpl);
		}
		return shapeImpl;
	}

	public static enum ShapeType{
		OVAL_FILL,OVAL_NOFILL,LINE;
	}
}

注意在方法中使用Java Enum来实现类型安全，使用Java Composition（形状图）和Factory 模式。getShape

享元设计模式客户端示例

下面是一个使用享元模式实现的示例程序。DrawingClient.java

package com.journaldev.design.flyweight;

import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Color;
import java.awt.Container;
import java.awt.Graphics;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;

import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;

import com.journaldev.design.flyweight.ShapeFactory.ShapeType;

public class DrawingClient extends JFrame{

	private static final long serialVersionUID = -1350200437285282550L;
	private final int WIDTH;
	private final int HEIGHT;

	private static final ShapeType shapes[] = { ShapeType.LINE, ShapeType.OVAL_FILL,ShapeType.OVAL_NOFILL };
	private static final Color colors[] = { Color.RED, Color.GREEN, Color.YELLOW };

	public DrawingClient(int width, int height){
		this.WIDTH=width;
		this.HEIGHT=height;
		Container contentPane = getContentPane();

		JButton startButton = new JButton("Draw");
		final JPanel panel = new JPanel();

		contentPane.add(panel, BorderLayout.CENTER);
		contentPane.add(startButton, BorderLayout.SOUTH);
		setSize(WIDTH, HEIGHT);
		setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
		setVisible(true);

		startButton.addActionListener(new ActionListener() {
			public void actionPerformed(ActionEvent event) {
				Graphics g = panel.getGraphics();
				for (int i = 0; i < 20; ++i) {
					Shape shape = ShapeFactory.getShape(getRandomShape());
					shape.draw(g, getRandomX(), getRandomY(), getRandomWidth(),
							getRandomHeight(), getRandomColor());
				}
			}
		});
	}

	private ShapeType getRandomShape() {
		return shapes[(int) (Math.random() * shapes.length)];
	}

	private int getRandomX() {
		return (int) (Math.random() * WIDTH);
	}

	private int getRandomY() {
		return (int) (Math.random() * HEIGHT);
	}

	private int getRandomWidth() {
		return (int) (Math.random() * (WIDTH / 10));
	}

	private int getRandomHeight() {
		return (int) (Math.random() * (HEIGHT / 10));
	}

	private Color getRandomColor() {
		return colors[(int) (Math.random() * colors.length)];
	}

	public static void main(String[] args) {
		DrawingClient drawing = new DrawingClient(500,600);
	}
}

我使用随机数生成在我们的框架中生成不同类型的形状。如果您运行上述客户端程序，您会注意到在创建第一个线对象和椭圆对象时出现延迟，其中填充为真和假。之后，由于使用共享对象，程序执行速度很快。多次单击“绘制”按钮后，框架如下图所示。享元设计模式您将在命令行中看到以下输出，确认对象是共享的。

Creating Line object
Creating Oval object with fill=true
Creating Oval object with fill=false

这就是关于享元模式的全部内容，我们将在以后的文章中探讨更多设计模式。如果您喜欢它，请在评论部分分享您的想法并与其他人分享。

JDK 中的享元设计模式示例

所有包装类 valueOf()方法都使用缓存对象，体现了 Flyweight 设计模式的使用。最好的例子是Java String类的String Pool实现。

享元设计模式重点

在我们的例子中，客户端代码没有被强制使用享元工厂来创建对象，但我们可以强制这样做以确保客户端代码使用享元模式实现，但这是一个针对特定应用程序的完整设计决策。
享元模式引入了复杂性，并且如果共享对象的数量巨大，那么就需要在内存和时间之间进行权衡，因此我们需要根据我们的需求明智地使用它。
当对象的固有属性数量巨大时，享元模式实现并不有用，这会使工厂类的实现变得复杂。

这就是 Java 中的享元设计模式的全部内容。