享元模式及其运用场景：结合工厂模式和单例模式优化内存使用

介绍

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，它通过共享对象来减少内存使用，尤其是对于大量相似对象的场景。享元模式通常与工厂模式和单例模式结合使用，从而有效地控制和复用对象的创建。在享元模式中，享元对象的核心思想是将不可变的部分（共享的状态）和可变的部分（外部状态）进行区分，从而优化系统性能。

工厂模式与单例模式

享元模式与工厂模式紧密结合，享元工厂负责管理共享的享元对象。工厂模式使得创建和管理享元对象变得统一和高效。除此之外，单例模式也常用于确保享元工厂在整个系统中唯一，避免重复创建享元工厂实例，从而节省资源。

下面代码采用静态内部类的方式实现单例模式，这种方式不仅能保证线程安全，还能确保只有在首次使用时才创建实例，具有懒加载特性。但是枚举才是最优的单例模式实现。感兴趣的同学可以参考这篇文章单例模式最优解----枚举

享元模式的结构

享元模式的核心结构包含以下几个角色：

1. 抽象享元角色（Flyweight）：这是一个接口或抽象类，声明了享元对象的公共方法。享元对象可以通过这些方法向外界提供共享的数据，同时也可以设置外部数据。

2. 具体享元角色（Concrete Flyweight）：实现了抽象享元接口，提供了共享的内部状态。在享元工厂中，这些具体享元对象可以通过共享池来复用。

3. 非共享的具体享元角色（Unshared Flyweight）：这些对象不适合共享，通常包含外部状态。每次使用时都会直接实例化。

4. 享元工厂角色（Flyweight Factory）：负责管理和提供享元对象。享元工厂会检查是否已经有符合要求的享元对象，如果没有则创建新的对象并返回。

享元模式中的共享与非共享状态

享元模式中有两种主要状态：

• 内部状态：这些状态是享元对象的一部分，并且是共享的。内部状态不会随着环境的改变而改变。

• 外部状态：这些状态是依赖于外部环境的，通常随时间、位置等变化。外部状态不会存储在享元对象中，而是通过方法传递给享元对象。

享元模式的关键在于将这两种状态进行分离，只有内部状态才能被共享，外部状态则由客户端负责传递。

示例：图形编辑器中的享元模式

在这个例子中，我们设计了一个简单的图形编辑器，其中有两种共享形状：圆形和正方形。每个图形的颜色作为内部状态共享，而位置作为外部状态传递。通过享元模式，我们可以复用相同颜色的图形对象，并为每个图形传递不同的位置。如果没有采用共享的方式，每次调用图形时都会创建新的对象，这样会导致大量内存浪费。但位置不能复用，这是根据外部环境改变的。

代码实现

// 抽象享元角色
interface Shape {
    void draw(String externalState);
}

// 具体享元类 - 圆形，内部状态是共享的
class Circle implements Shape {
    private String color;  // 内部状态，颜色是共享的

    public Circle(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw(String externalState) {
        System.out.println("Drawing Circle with color: " + color + " at position: " + externalState);
    }
}

// 具体享元类 - 正方形，内部状态是共享的
class Square implements Shape {
    private String color;  // 内部状态，颜色是共享的

    public Square(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw(String externalState) {
        System.out.println("Drawing Square with color: " + color + " at position: " + externalState);
    }
}

// 非共享的具体享元 - 线条，完全依赖外部状态
class Line implements Shape {
    @Override
    public void draw(String externalState) {
        System.out.println("Drawing Line at position: " + externalState);
    }
}

// 享元工厂
class ShapeFactory {
    private Map<String, Shape> shapeMap = new HashMap<>();

    private ShapeFactory() {}  // 私有构造函数，防止外部创建实例

    // 静态内部类实现单例模式
    private static class SingletonHelper {
        private static final ShapeFactory INSTANCE = new ShapeFactory();
    }

    // 获取单例实例
    public static ShapeFactory getInstance() {
        return SingletonHelper.INSTANCE;
    }

    // 获取共享的享元对象
    public Shape getShape(String type, String color) {
        String key = type + color;
        if (!shapeMap.containsKey(key)) {
            if (type.equals("Circle")) {
                shapeMap.put(key, new Circle(color));
            } else if (type.equals("Square")) {
                shapeMap.put(key, new Square(color));
            }
        }
        return shapeMap.get(key);
    }
}


public class FlyweightPatternExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 享元工厂
        ShapeFactory shapeFactory = ShapeFactory.getInstance();

        // 创建和使用共享的享元对象
        Shape circle1 = shapeFactory.getShape("Circle", "Red");
        Shape circle2 = shapeFactory.getShape("Circle", "Red");
        Shape square1 = shapeFactory.getShape("Square", "Blue");

        // 绘制图形时，外部状态（位置）会变化
        circle1.draw("10, 20");  // 外部状态为位置
        circle2.draw("15, 25");
        square1.draw("30, 40");

        // 非共享的享元对象（直接实例化）
        Shape line = new Line();
        line.draw("50, 60");  // 外部状态为位置
    }
}

代码说明

1. 共享的具体享元类：

   • Circle 和 Square 是共享的享元对象，它们的颜色是内部状态。享元工厂会根据颜色来共享这些对象。

2. 非共享的具体享元类：

   • Line 类是非共享的享元类，它不存储任何内部状态，而是每次都需要通过外部状态（位置）来绘制。它没有参与享元工厂的共享池。

3. 享元工厂：

   • ShapeFactory 类负责管理和返回共享的享元对象。它使用一个 Map 来缓存已创建的享元对象，避免重复创建相同的对象。

4. 客户端使用：

   • 客户端首先通过享元工厂请求共享的图形对象（如红色圆形）。如果该对象已存在，则直接返回；否则，创建一个新的对象。
   • 对于非共享的对象（如线条），客户端直接实例化，而不通过享元工厂。

总结

享元模式通过共享对象的方式有效减少了内存使用，尤其适用于对象数量庞大且状态相似的场景。JDK中也有享元模式的应用，感兴趣的同学可以往这看---->JDK享元模式的运用