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泡圖書館,我想到了享元模式

大家好,我是老田,今天我給大家分享設(shè)計(jì)模式中的享元模式。用貼切的生活故事,以及真實(shí)項(xiàng)目場(chǎng)景來講設(shè)計(jì)模式,最后用一句話來總結(jié)這個(gè)設(shè)計(jì)模式。

網(wǎng)站建設(shè)哪家好,找創(chuàng)新互聯(lián)建站!專注于網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、網(wǎng)站建設(shè)、微信開發(fā)、微信小程序定制開發(fā)、集團(tuán)企業(yè)網(wǎng)站建設(shè)等服務(wù)項(xiàng)目。為回饋新老客戶創(chuàng)新互聯(lián)還提供了廣元免費(fèi)建站歡迎大家使用!

下面是本文目錄:

背景

享元模式(Flyweight Pattern)又叫作輕量級(jí)模式,是對(duì)象池的一種實(shí)現(xiàn)。

類似線程池,線程池可以避免不停地創(chuàng)建和銷毀多個(gè)對(duì)象,消耗性能。

享元模式提供了減少對(duì)象數(shù)量從而改善應(yīng)用所需的對(duì)象結(jié)構(gòu)的方式。

英文解釋:

Use sharing to support large numbers of fine-grained objects efficiently.

享元模式(Flyweight Pattern)其宗旨是共享細(xì)粒度對(duì)象,將多個(gè)對(duì)同一對(duì)象的訪問集中起來,不必為每個(gè)訪問者都創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象, 主要用于減少創(chuàng)建對(duì)象的數(shù)量,以減少內(nèi)存占用和提高性能。

屬于結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)模式,其中結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)模式有:代理、門面、裝飾器、享元、橋接、適配器、組合。

注意:

享元模式把一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)分成內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài),內(nèi)部狀態(tài)是不變的,外部狀態(tài)是變化的;然后通過共享不變的部分,達(dá)到減少對(duì)象數(shù)量并節(jié)約內(nèi)存的目的。

生活案例

房屋中介

只要是個(gè)城市,就少不了房屋中介,房屋中介存有大量的出租房屋信息,并且一家房屋中介往往會(huì)有多個(gè)門店,但是所有門店都共享這些房屋信息(共享的是出租房屋的信息)。

個(gè)人身份證信息

每個(gè)中國公民都有一張身份證,并且這張身份證信息在公安系統(tǒng)中是共享的,全國各公安局派出所都會(huì)共享你的身份證信息(共享的是個(gè)人身份信息)。

高考志愿填報(bào)

每所大學(xué)在每個(gè)省都有明確的招收名額,這些名額對(duì)于該省的所有高考生而言都是共享的(共享的是招收名額)。

圖書館

圖書館里的可借書籍,對(duì)多有讀者是共享的,大家都可以查詢此書是否已經(jīng)被借出去,還?;究山?共享的是圖書)。

....

簡單代碼實(shí)現(xiàn)

下面我們通過一個(gè)案例來演示享元模式(圖書館為例)。

 
 
 
 
  1. public interface Book { 
  2.     void borrow(); 
  3. /** 
  4.  * @author java后端技術(shù)全棧 
  5.  */ 
  6. public class ConcreteBook implements Book { 
  7.     //被借出去的書名 
  8.     private String name; 
  9.  
  10.     public ConcreteBook(String name) { 
  11.         this.name = name; 
  12.     } 
  13.  
  14.     @Override 
  15.     public void borrow() { 
  16.         System.out.println("圖書館借出去一本書,書名:"+this.name); 
  17.     } 
  18. import java.util.HashMap; 
  19. import java.util.Map; 
  20.  
  21. /** 圖書館 
  22.  * @author java后端技術(shù)全棧 
  23.  */ 
  24. public class Llibrary { 
  25.     private Map bookMap = new HashMap<>(); 
  26.  
  27.     private Llibrary() { 
  28.     } 
  29.  
  30.     //只能有一個(gè)圖書館 
  31.     public static Llibrary getInstance() { 
  32.         return LazyHolder.LAZY_STATIC_SINGLETON; 
  33.     } 
  34.  
  35.     //通過書名name來借書 
  36.     public Book libToBorrow(String name) { 
  37.         Book book; 
  38.         //如果圖書館有,直接把書借走 
  39.         if (bookMap.containsKey(name)) { 
  40.             book = bookMap.get(name); 
  41.         } else {//圖書館沒有,則錄入一本書,然后把書借走 
  42.             book = new ConcreteBook(name); 
  43.             bookMap.put(name, book); 
  44.         } 
  45.         return book; 
  46.     } 
  47.  
  48.     //返回還有多少本書 
  49.     public int bookSize() { 
  50.         return bookMap.size(); 
  51.     } 
  52.     private static class LazyHolder { 
  53.         private static final Llibrary LAZY_STATIC_SINGLETON = new Llibrary(); 
  54.     } 
  55. import java.util.ArrayList; 
  56. import java.util.List; 
  57.  
  58. public class Student { 
  59.     private static List bookList = new ArrayList<>(); 
  60.     private static BookFactory bookFactory; 
  61.  
  62.     public static void main(String[] args) { 
  63.         bookFactory = BookFactory.getInstance(); 
  64.  
  65.         studenBorrow("java 從入門到精通"); 
  66.         studenBorrow("java 從入門到放棄"); 
  67.         studenBorrow("JVM java虛擬機(jī)"); 
  68.         studenBorrow("java編程思想"); 
  69.  
  70.  
  71.         //還了后,再借一次 
  72.         studenBorrow("java 從入門到精通"); 
  73.         studenBorrow("java 從入門到放棄"); 
  74.         studenBorrow("JVM java虛擬機(jī)"); 
  75.         studenBorrow("java編程思想"); 
  76.  
  77.         //還了后,再借一次 
  78.         studenBorrow("java 從入門到精通"); 
  79.         studenBorrow("java 從入門到放棄"); 
  80.         studenBorrow("JVM java虛擬機(jī)"); 
  81.         studenBorrow("java編程思想"); 
  82.  
  83.         //把每一本書借出去 
  84.         for (Book book:bookList){ 
  85.             book.borrow(); 
  86.         } 
  87.  
  88.         System.out.println("學(xué)生一共借了 "+bookList.size()+"本書"); 
  89.         System.out.println("學(xué)生一共借了 "+ bookFactory.bookSize()+"本書"); 
  90.  
  91.     } 
  92.  
  93.     private static void studenBorrow(String name) { 
  94.         bookList.add(bookFactory.libToBorrow(name)); 
  95.     } 

運(yùn)行結(jié)果

 
 
 
 
  1. 圖書館借出去一本書,書名:java 從入門到精通 
  2. 圖書館借出去一本書,書名:java 從入門到放棄 
  3. 圖書館借出去一本書,書名:JVM java虛擬機(jī) 
  4. 圖書館借出去一本書,書名:java編程思想 
  5. 圖書館借出去一本書,書名:java 從入門到精通 
  6. 圖書館借出去一本書,書名:java 從入門到放棄 
  7. 圖書館借出去一本書,書名:JVM java虛擬機(jī) 
  8. 圖書館借出去一本書,書名:java編程思想 
  9. 圖書館借出去一本書,書名:java 從入門到精通 
  10. 圖書館借出去一本書,書名:java 從入門到放棄 
  11. 圖書館借出去一本書,書名:JVM java虛擬機(jī) 
  12. 圖書館借出去一本書,書名:java編程思想 
  13. 學(xué)生一共借了 12本書 
  14. 學(xué)生一共借了 4本書 

其實(shí),圖書館只有四本書,但是多個(gè)人借,A借來看完了,B再去借,B還了C再去借。

這些書籍就被大家共享了。

享元模式的UML類圖如下:

由上圖可以看到,享元模式主要包含3個(gè)角色。

  • 抽象享元角色(Book):享元對(duì)象抽象基類或者接口,同時(shí)定義出對(duì)象的外部狀態(tài)和內(nèi)部狀態(tài)的接口或?qū)崿F(xiàn)。
  • 具體享元角色(ConcreteBook):實(shí)現(xiàn)抽象角色定義的業(yè)務(wù)。該角色的內(nèi)部狀態(tài)處理應(yīng)該與環(huán)境無關(guān),不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)操作改變內(nèi)部狀態(tài)、同時(shí)修改了外部狀態(tài)的情況。
  • 享元工廠(BookFactory):負(fù)責(zé)管理享元對(duì)象池和創(chuàng)建享元對(duì)象。

也許這個(gè)例子你還是不太明白,下面我們就用工作中常見的場(chǎng)景來解釋一通。

大佬們是怎樣使用的

關(guān)于享元模式,在JDK中大量的使用,比如:String、Integer、Long等類中,都有使用到。

Integer中的享元模式

下面這段代碼輸出什么?

 
 
 
 
  1. /** 
  2.  * 歡迎關(guān)注公眾號(hào):java后端技術(shù)全棧 
  3.  * 
  4.  * @author 田維常 
  5.  * @date 2021/06/02 19:30 
  6.  */ 
  7. public class IntegerDemo { 
  8.     public static void main(String[] args) { 
  9.         Integer a = 100; 
  10.         Integer b = Integer.valueOf(100); 
  11.         System.out.println(a == b); 
  12.  
  13.         Integer c = new Integer(1000); 
  14.         Integer d = Integer.valueOf(1000); 
  15.         System.out.println(c == d); 
  16.  
  17.     } 

很多人可能會(huì)認(rèn)為輸出

 
 
 
 
  1. true 
  2. true 

其實(shí),非也,這里最終輸出的是:

 
 
 
 
  1. true 
  2. false 

為什么呢?100就可以比較,1000就不能比較了?

其實(shí),在Integer里就用到了享元模式,它就是把-128到127這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)緩存起來(放在Integer類型的數(shù)組中)。

 
 
 
 
  1. static final int low = -128; 
  2. public static Integer valueOf(int i) { 
  3.     //high默認(rèn)是127 
  4.     if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high) 
  5.         return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)]; 
  6.     return new Integer(i); 

下面進(jìn)行一個(gè)簡要的分析:

關(guān)于Integer的緩存,推薦看這篇文章:

這里Integer里的IntegerCache里就用到了享元模式。

關(guān)于Integer 推薦:面試官:說說Integer緩存范圍

String中的享元模式

Java中講String類定義為final不能繼承,并且將屬性value也定義為final便是不可變,JVM中字符串一般保存在字符串常量池中,Java會(huì)確保一個(gè)字符串在常量池中只會(huì)有一份拷貝,這個(gè)字符串常量池在JDK1.6中位于方法區(qū)(永久代)中,而JDK1.7以后,JVM講其從方法區(qū)移動(dòng)到了堆heap中。

下面這段代碼輸出什么?

 
 
 
 
  1. /** 
  2.  * 歡迎關(guān)注公眾號(hào):java后端技術(shù)全棧 
  3.  * 
  4.  * @author 田維常 
  5.  * @date 2021/06/03 
  6.  */ 
  7. public class StringDemo { 
  8.     public static void main(String[] args) throws Exception { 
  9.         String s1 = "abcd"; 
  10.         String s2 = "abcd"; 
  11.  
  12.  
  13.         String s3 = "ab" + "cd"; 
  14.         String s4 = "ab" + new String("cd"); 
  15.  
  16.         String s5 = new String("abcd"); 
  17.         String s6 = s5.intern(); 
  18.  
  19.         String s7 = "a"; 
  20.         String s8 = "bcd"; 
  21.  
  22.         String s9 = s7 + s8; 
  23.  
  24.         System.out.println("s1 == s2 " + (s1 == s2)); 
  25.  
  26.         System.out.println("s1 == s3 " + (s1 == s3)); 
  27.         System.out.println("s1 == s4 " + (s1 == s4)); 
  28.         System.out.println("s1 == s6 " + (s1 == s6)); 
  29.         System.out.println("s1 == s9 " + (s1 == s9)); 
  30.         System.out.println("s4 == s5 " + (s4 == s5)); 
  31.  
  32.     } 

String類中的value是final修飾的,以字面量的形式創(chuàng)建String變量時(shí),JVM會(huì)在編譯期間就把該字面量“abcd”放到字符串常量池匯總,有Java程序啟動(dòng)的時(shí)候就已經(jīng)加載到內(nèi)存中了。這個(gè)字符串常量的特點(diǎn)就是有且僅有一份相同的字面量,如果其他相同字面量,JVM則返回這個(gè)字面量的引用,如果沒有相同的字面量,則再字符串常量池中創(chuàng)建這個(gè)字面量并返回它的引用。

由于s2指向字面量"abcd"在常量池中已經(jīng)存在了(s1先于s2),于是JVM就返回這個(gè)字面量綁定的引用,所以s1==s2。

s3中字面量的拼接其實(shí)在JVM層已經(jīng)做了優(yōu)化,在JVM編譯期間就對(duì)s3的拼接做了優(yōu)化,所以s1、s2、s3都可以理解為是同一個(gè),即s1==s3。

s4中的new String("cd"),此時(shí)生成了兩個(gè)對(duì)象,"cd"和new String("cd"),"cd"存在于字符串常量池中,new String("cd")存在于堆heap中,String s4="ab"+ new String("cd");實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)對(duì)象的相加,編譯器不會(huì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,相加的結(jié)果存在于堆heap中,而s2存在于字符串常量池中,當(dāng)然不相等,即s1!=s4。

s4和s5最終的結(jié)果都是在堆中,所以此時(shí)s4!=s5

s5.intern()方法能是一個(gè)維度對(duì)總的字符串在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)地加入到字符串常量池中(字符串常量池的內(nèi)容是程序啟動(dòng)的時(shí)候就以及酒精加載好了,如果字符串常量池中存在該對(duì)象對(duì)應(yīng)的字面量,則返回該字面量在字符串常量池中的引用,否則,創(chuàng)建復(fù)制一份該字面量到字符串常量池中并發(fā)那會(huì)它的引用),因此s1==s6。

s9是s7和s8拼接而成,但是jvm并沒有對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,所以s1!=s9

最后,上面這段代碼輸出:

 
 
 
 
  1. s1 == s2 true 
  2. s1 == s3 true 
  3. s1 == s4 false 
  4. s1 == s6 true 
  5. s1 == s9 false 
  6. s4 == s5 false 

JVM中的常量池也是享元模式的經(jīng)典實(shí)現(xiàn)之一。

關(guān)于String延伸內(nèi)容:

美團(tuán)面試題:String s = new String("111")會(huì)創(chuàng)建幾個(gè)對(duì)象?

Long中的享元模式

Long中和Integer中類似,也是最-128到127的數(shù)進(jìn)行了緩存,請(qǐng)看Long中的valueOf()方法源碼部分:

 
 
 
 
  1. public static Long valueOf(long l) { 
  2.     final int offset = 128; 
  3.     if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache 
  4.         return LongCache.cache[(int)l + offset]; 
  5.     } 
  6.     return new Long(l); 

這個(gè)就沒必要進(jìn)行演示了,和Integer一樣,都是使用了緩存,也就是享元模式。

在Apache Commons Pool中的享元模式

對(duì)象池化的基本思路是:將用過的對(duì)象保存起來,等下一次需要這種對(duì)象的時(shí)候,再拿出來重復(fù)使用,從而在一定程度上減少頻繁創(chuàng)建對(duì)象造成的消耗。用于充當(dāng)保存對(duì)象的“容器”的對(duì)象,被稱為對(duì)象池(Object Pool,簡稱Pool)。

Apache Pool實(shí)現(xiàn)了對(duì)象池的功能,定義了對(duì)象的生成、銷毀、激活、鈍化等操作及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換,并提供幾個(gè)默認(rèn)的對(duì)象池實(shí)現(xiàn),

有如下幾個(gè)重要的角色:

  • Pooled Object(池化對(duì)象):用于封裝對(duì)象(例如,線程、數(shù)據(jù)庫連接和TCP連接),將其包裹成可被對(duì)象池管理的對(duì)象。
  • Pooled Object Factory(池化對(duì)象工廠):定義了操作Pooled Object實(shí)例生命周期的一些方法,Pooled Object Factory必須實(shí)現(xiàn)線程安全。
  • Object Pool(對(duì)象池):Object Pool負(fù)責(zé)管理Pooled Object,例如,借出對(duì)象、返回對(duì)象、校驗(yàn)對(duì)象、有多少激活對(duì)象和有多少空閑對(duì)象。

在ObjectPool類的子類org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool種有個(gè)屬性:

 
 
 
 
  1. private final Map, PooledObject> allObjects; 

這個(gè)Map就是用來緩存對(duì)象的,所以這里也是享元模式的實(shí)現(xiàn)。

享元模式的擴(kuò)展

享元模式中的狀態(tài)

享元模式的定義提出了兩個(gè)要求:細(xì)粒度和共享對(duì)象。

因?yàn)橐蠹?xì)粒度,所以不可避免地會(huì)使對(duì)象數(shù)量多且性質(zhì)相近,此時(shí)我們就將這些對(duì)象的信息分為兩個(gè)部分:內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)。

內(nèi)部狀態(tài)指對(duì)象共享出來的信息,存儲(chǔ)在享元對(duì)象內(nèi)部,并且不會(huì)隨環(huán)境的改變而改變;

外部狀態(tài)指對(duì)象得以依賴的一個(gè)標(biāo)記,隨環(huán)境的改變而改變,不可共享。

比如:連接池中的連接對(duì)象,保存在連接對(duì)象中的用戶名、密碼、連接URL等信息,在創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候就設(shè)置好了,不會(huì)隨環(huán)境的改變而改變,這些為內(nèi)部狀態(tài)。而當(dāng)每個(gè)連接要被回收利用時(shí),我們需要將它標(biāo)記為可用狀態(tài),這些為外部狀態(tài)。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

  • 減少對(duì)象的創(chuàng)建,降低內(nèi)存中對(duì)象的數(shù)量,降低系統(tǒng)的內(nèi)存,提高效率。
  • 減少內(nèi)存之外的其他資源占用。

缺點(diǎn)

  • 關(guān)注內(nèi)、外部狀態(tài),關(guān)注線程安全問題。
  • 使系統(tǒng)、程序的邏輯復(fù)雜化。

總結(jié)

享元模式,單從概念來講估計(jì)很多人不是很理解,但是從Integer、String已經(jīng)生活中的場(chǎng)景結(jié)合起來理解,就能輕松理解享元模式,享元模式的實(shí)現(xiàn)基本上都伴隨著一個(gè)集合用來存這些對(duì)象。

一句話總結(jié):

優(yōu)化資源配置,減少資源浪費(fèi)

參考:Tom的設(shè)計(jì)模式課程

好了,今天的分享就到此結(jié)束,希望大家能明白什么是享元模式,享元模式的思想我們?cè)陂_發(fā)中是否能借鑒,面試的時(shí)候就不要再說你不會(huì)設(shè)計(jì)模式了。

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當(dāng)前名稱:泡圖書館,我想到了享元模式
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