实现对象的复用——享元模式(一)

当前咱们国家正在大力倡导构建和谐社会,其中一个很重要的组成部分就是建设资源节约型社会,“浪费可耻,节俭光荣”。在软件系统中,有时候也会存在资源浪费的情况,例如在计算机内存中存储了多个完全相同或者非常相似的对象,如果这些对象的数量太多将导致系统运行代价过高,内存属于计算机的“稀缺资源”,不应该用来“随便浪费”,那么是否存在一种技术可以用于节约内存使用空间,实现对这些相同或者相似对象的共享访问呢?答案是肯定,这种技术就是我们本章将要学习的享元模式。

14.1 围棋棋子的设计

Sunny软件公司欲开发一个围棋软件,其界面效果如图14-1所示:

图14-1 围棋软件界面效果图

Sunny软件公司开发人员通过对围棋软件进行分析,发现在围棋棋盘中包含大量的黑子和白子,它们的形状、大小都一模一样,只是出现的位置不同而已。如果将每一个棋子都作为一个独立的对象存储在内存中,将导致该围棋软件在运行时所需内存空间较大,如何降低运行代价、提高系统性能是Sunny公司开发人员需要解决的一个问题。为了解决这个问题,Sunny公司开发人员决定使用享元模式来设计该围棋软件的棋子对象,那么享元模式是如何实现节约内存进而提高系统性能的呢?别着急,下面让我们正式进入享元模式的学习。

14.2 享元模式概述

当一个软件系统在运行时产生的对象数量太多,将导致运行代价过高,带来系统性能下降等问题。例如在一个文本字符串中存在很多重复的字符,如果每一个字符都用一个单独的对象来表示,将会占用较多的内存空间,那么我们如何去避免系统中出现大量相同或相似的对象,同时又不影响客户端程序通过面向对象的方式对这些对象进行操作?享元模式正为解决这一类问题而诞生。享元模式通过共享技术实现相同或相似对象的重用,在逻辑上每一个出现的字符都有一个对象与之对应,然而在物理上它们却共享同一个享元对象,这个对象可以出现在一个字符串的不同地方,相同的字符对象都指向同一个实例,在享元模式中,存储这些共享实例对象的地方称为享元池(Flyweight Pool)。我们可以针对每一个不同的字符创建一个享元对象,将其放在享元池中,需要时再从享元池取出。如图14-2所示:

图14-2 字符享元对象示意图

享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用,享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态(Intrinsic State)和外部状态(Extrinsic State)。下面将对享元的内部状态和外部状态进行简单的介绍:

(1) 内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态,内部状态可以共享。如字符的内容,不会随外部环境的变化而变化,无论在任何环境下字符“a”始终是“a”,都不会变成“b”。

(2) 外部状态是随环境改变而改变的、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,并在享元对象被创建之后,需要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。如字符的颜色,可以在不同的地方有不同的颜色,例如有的“a”是红色的,有的“a”是绿色的,字符的大小也是如此,有的“a”是五号字,有的“a”是四号字。而且字符的颜色和大小是两个独立的外部状态,它们可以独立变化,相互之间没有影响,客户端可以在使用时将外部状态注入享元对象中。

正因为区分了内部状态和外部状态,我们可以将具有相同内部状态的对象存储在享元池中,享元池中的对象是可以实现共享的,需要的时候就将对象从享元池中取出,实现对象的复用。通过向取出的对象注入不同的外部状态,可以得到一系列相似的对象,而这些对象在内存中实际上只存储一份。

享元模式定义如下:

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。系统只使用少量的对象,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。

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