軟體設計模式修煉 -- 享元模式

當系統中存在大量相同或相似的物件時，享元模式是一種較好的解決方案，它通過共享技術實作相同或相似的細粒度物件的復用，從而節約記憶體空間，享元模式提供了一個享元池用于存盤已經創建好的享元物件，并通過享元工廠類將享元物件提供給客戶端使用，

模式動機

使用面向物件技術開發時，很多情況下需要在系統中增加類和物件的個數，并且這些物件有些是相同或相似的，當物件太多時，將導致運行代價過高，性能下降等問題，為了避免系統中出現大量相同或相似的物件，享元模式通過共享技術實作相同或相似物件的重用，相同的物件都指向一個實體，存盤這個實體的物件稱為享元池，

模式設計

系統中有些物件并不完全相同，而只是相似，因此需要先找出這些物件的共同點，在享元類中封裝這些共同的內容，不同的內容可以通過外部應用程式來設定，而不進行共享，在享元模式中可以共享的相同內容稱為內部狀態，而那些需要外部環境設定的不能共享的內容稱為外部狀態，

在享元模式中通常會出現工廠模式，需要創建一個享元工廠來維護一個享元池，用于存盤具有相同內部狀態的享元物件，實際使用中，能夠共享的內部狀態是有限的，因此享元物件一般都設計為較小的物件，它所包含的內部狀態較少，這種狀態一般稱為細粒度物件，享元模式的目的就是使用共享技術來實作大量細粒度物件的復用，

模式定義

運用共享技術有效地支持大量細粒度物件的復用，系統只使用少量的物件，而這些物件都很相似，狀態變化很小，可以實作物件的多次復用，由于享元模式要求能夠共享的物件必須是細粒度物件，因此又稱為輕量級模式，

模式結構

1. Flyweight（抽象享元類）

   抽象享元類宣告是一個介面，通過它可以接受并作用于外部狀態，在抽象享元類定義了具體享元類公共的方法，這些方法可以向外界提供享元物件的內部資料（內部狀態），同時也可以通過這些方法來設定外部資料（外部狀態）

2. ConcreteFlyweight（具體享元類）

   具體享元類實作了抽象享元介面，保存了內部狀態，具體享元物件是可以共享的，可以結合單例模式來設計享元具體類，為每一個具體享元類提供唯一的享元物件，

3. UnsharedConcreteFlyweight（非共享具體享元類）

   不能被共享的抽象享元類的子類被設計為非共享具體享元類，當需要一個非共享具體享元類的物件時可以直接通過實體化創建，在某些享元模式的層次結構中，非共享具體享元物件還可以將具體享元物件作為子節點，

4. FlyweightFactory（享元工廠類）

   享元工廠類用于創建并管理享元物件，它針對抽象享元類編程，將各種型別的具體享元物件存盤在一個享元池中，當用戶請求一個具體享元物件時，享元工廠提供一個存盤在享元池已創建的實體或者創建一個實體，回傳該新創建的實體并將其存盤在享元池中，

模式分析

享元模式的核心在于享元工廠類，享元工廠類的作用在于提供一個用于存盤享元物件的享元池，典型的享元工廠類代碼如下：

public class FlyweightFactory {

    private HashMap flyweights = new HashMap();

    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        if (flyweights.containsKey(key)) {
            return (Flyweight) flyweights.get(key);
        } else {
            Flyweight fw = new ConcreteFlyweight();
            flyweights.put(key, fw);
            return fw;
        } 
    }
}

享元物件能做到共享的關鍵是區分內部狀態（internal state）和外部狀態（external state），下面簡單對享元的內部狀態和外部狀態進行分析：

1. 內部狀態是存盤在享元物件內部并且不會隨環境改變而改變的狀態，因此內部狀態可以共享，
2. 外部狀態是隨環境改變而改變的、不可共享的狀態，享元物件的外部狀態必須由客戶端保存，并在享元物件被創建之后，在需要使用時再傳入到享元物件內部，

典型的享元類代碼如下：

public class Flyweight {

    private String intrinsicState;

    public Flyweight(String intrinsicState) {
        this.intrinsicState = intrinsicState;
    }

    public void operation(String extrinsicState) {
        ...
    }
}

實體之共享網路設備

很多網路設備都是支持共享的，如交換機、集線器等，多臺計算機終端可以鏈接同一臺網路設備，并通過該網路設備進行資料轉換，但是分配給每一個終端計算機的埠是不同的，可以將埠從網路設備中抽取出來作為外部狀態，需要時再設定，

1. 抽象享元類 NetworkDevices

   public interface NetworkDevice {
   
       public String getType();
       public void use(Port port);	// 用于設定外部狀態
   }
   

2. 具體享元類 Switch

   public class Switch implements NetworkDevice {
   
       private String type;
   
       public Switch(String type) {
           this.type = type;
       }
   
       public String getType() {
           return type;
       }
   
       public void use(Port port) {
           System.out.println("Linked by switch, type is" + this.type + ",port is" + port.getPort());
       }
   }
   

3. 具體享元類 Hub

   public class Hub implements NetworkDevice {
   
       private String type;
   
       public Hub(String type) {
   
           this.type = type;
       }
   
       public String getType() {
           return type;
       }
   
       public void use(Port port) {
           System.out.println("Linked by Hub, type is" + this.type + ",port is" + port.getPort());
       }
   }
   

4. 埠類 Port

   public class Port {
   
       String port;
   
       public Port(String port) {
           this.port = port;
       }
   
       public String getPort() {
           return port;
       }
   
       public void setPort(String port) {
           this.port = port;
       }
   }
   

5. 享元工廠 DeviceFactory

   public class DeviceFactory {
   
       private List<NetworkDevice> devices = new ArrayList<NetworkDevice>();
       private int totalTerminal = 0;
   
       public DeviceFactory() {
   
           NetworkDevice nd1 = new Switch("Cisco-WS-C2950-24");
           devices.add(nd1);
           NetworkDevice nd2 = new Hub("TP-LINK-HF8M");
           devices.add(nd2);
       }
   
       public NetworkDevice getNetworkDevice(String type) {
   
           if (type.equalsIgnoreCase("cisco")) {
               totalTerminal++;
               return devices.get(0);
           } else if (type.equalsIgnoreCase("tp")) {
               totalTerminal++;
               return devices.get(1);
           } else {
               return null;
           }
       }
   
       public int getTotalDevice() {
           return devices.size();
       }
   
       public int getTotalTerminal() {
           return totalTerminal;
       }
   }
   

6. 客戶測驗類 Client

   public class Client {
   
       public static void main(String[] args) {
   
           DeviceFactory df = new DeviceFactory();
   
           NetworkDevice nd1 = df.getNetworkDevice("cisco");
           nd1.use(new Port("1000"));
   
           NetworkDevice nd2 = df.getNetworkDevice("cisco");
           nd2.use(new Port("1001"));
   
           NetworkDevice nd3 = df.getNetworkDevice("cisco");
           nd3.use(new Port("1002"));
   
           NetworkDevice nd4 = df.getNetworkDevice("tp");
           nd4.use(new Port("1003"));
   
           NetworkDevice nd5 = df.getNetworkDevice("tp");
           nd5.use(new Port("1004"));
   
           System.out.println("Total Device: " + df.getTotalDevice());
           System.out.println("Total Terminal: " + df.getTotalTerminal());
       }
   }
   

在客戶端代碼中，在呼叫享元物件的 use() 方法時，傳入了一個 Port 型別物件，在該物件中封裝了埠號，作為共享網路設備的外部狀態，同一個網路設備具有多個不同的埠號，

從運行結果可以得知，在呼叫享元物件的 use() 方法時，由于設定了不同的埠號，因此相同的享元物件雖然具有相同的內部狀態 type，但是它們的外部狀態 port 不同，

模式優缺點

優點如下：

1. 極大減少記憶體中物件的數量
2. 享元模式的外部狀態相對獨立，不會影響其內部狀態，因此享元物件可以在不同的環境中被共享，

缺點如下：

1. 享元模式是系統更加復雜，需要分離出內部狀態和外部狀態，
2. 讀取外部狀態會使運行時間變長，

模式適用環境

以下情況可以使用享元模式：

1. 一個系統有大量相同或相似物件，這類物件的大量使用造成記憶體的大量耗費
2. 物件的大部分狀態都可外部化，可以將這些外部狀態傳入物件中，
3. 維護享元池需要耗費資源，因此應當在多次重復使用享元物件時才值得使用享元模式

單純享元模式

即所有抽象享元類的子類都可以共享，不存在非共享具體享元類

復合享元模式

將單純享元模式與組合模式加以組合，可以形成復合享元物件，這樣的復合享元物件本身不能共享，但它們可以分解成單純享元物件，而后者可以共享，通過復合享元模式，可以確保復合享元類 CompositeConcreteFlyweight 中所包含的每個單純享元類 ConcreteFlyweight 都具有相同的外部狀態，而這些單純享元的內部狀態往往不同，

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