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设计模式-享元模式

发表于 分类于 阅读次数： Valine：
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跟其他所有的设计模式类似，享元模式的原理和实现也非常简单。今天，我会通过棋牌游戏的例子来讲解。除此之外，我还会讲到它跟单例、缓存、对象池的区别和联系。并剖析一下享元模式在 Java Integer 中的应用。

享元模式原理与实现

所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。

这里我稍微解释一下，定义中的“不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之 后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何 set() 等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。

接下来，我们通过一个简单的例子解释一下享元模式。假设我们在开发一个棋牌游戏（比如象棋）。一个游戏厅中有成千上万个“房间”，每个房间对应一个棋局。棋局要保存每个棋子的数据，比如：棋子类型（将、相、士、炮等）、棋子颜色（红方、黑方）、棋子在棋局中的位置。利用这些数据，我们就能显示一个完整的棋盘给玩家。具体的代码如下所示。其中，ChessPiece 类表示棋子，ChessBoard 类表示一个棋局，里面保存了象棋中 30 个棋子的信息。

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public class ChessPiece {//棋子
    private int id;
    private String text;
    private Color color;
    private int positionX;
    private int positionY;
    public ChessPiece(int id, String text, Color color, int positionX, int positionY) {
        this.id = id;
        this.text = text;
        this.color = color;
        this.positionX = positionX;
        this.positionY = positionX;
    }
    public static enum Color {
        RED, BLACK
    }
    // ...省略其他属性和getter/setter方法...
}
public class ChessBoard {//棋局
    private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
    public ChessBoard() {
        init();
    }
    private void init() {
        chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0));
        chessPieces.put(2, new ChessPiece(2,"馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));
        //...省略摆放其他棋子的代码...
    }
    public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
        //...省略...
    }
}

为了记录每个房间当前的棋局情况，我们需要给每个房间都创建一个 ChessBoard 棋局对 象。因为游戏大厅中有成千上万的房间（实际上，百万人同时在线的游戏大厅也有很多）， 那保存这么多棋局对象就会消耗大量的内存。有没有什么办法来节省内存呢？

这个时候，享元模式就可以派上用场了。像刚刚的实现方式，在内存中会有大量的相似对象。这些相似对象的 id、text、color 都是相同的，唯独 positionX、positionY 不同。实际上，我们可以将棋子的 id、text、color 属性拆分出来，设计成独立的类，并且作为享元供多个棋盘复用。这样，棋盘只需要记录每个棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示：

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// 享元类
public class ChessPieceUnit {
    private int id;
    private String text;
    private Color color;
    public ChessPieceUnit(int id, String text, Color color) {
        this.id = id;
        this.text = text;
        this.color = color;
    }
    public static enum Color {
        RED, BLACK
    }
}
public class ChessPieceUnitFactory {
    private static final Map<Integer, ChessPieceUnit> pieces = new HashMap<>();
    static {
        pieces.put(1, new ChessPieceUnit(1, "車", ChessPieceUnit.Color.BLACK));
        pieces.put(2, new ChessPieceUnit(2,"馬", ChessPieceUnit.Color.BLACK));
        //...省略摆放其他棋子的代码...
    }
    public static ChessPieceUnit getChessPiece(int chessPieceId) {
        return pieces.get(chessPieceId);
    }
}
public class ChessPiece {
    private ChessPieceUnit chessPieceUnit; // 享元对象
    private int positionX;
    private int positionY;
    public ChessPiece(ChessPieceUnit unit, int positionX, int positionY) {
        this.chessPieceUnit = unit;
        this.positionX = positionX;
        this.positionY = positionY;
    }
    // 省略getter、setter方法
}
public class ChessBoard {
    private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
    public ChessBoard() {
        init();
    }
    private void init() {
        chessPieces.put(1, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(1), 0, 0));
        chessPieces.put(1, new ChessPiece(ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(2), 1, 0));
        //...省略摆放其他棋子的代码...
    }
    public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
        //...省略...
    }
}

在上面的代码实现中，我们利用工厂类来缓存 ChessPieceUnit 信息（也就是 id、text、 color）。通过工厂类获取到的 ChessPieceUnit 就是享元。所有的 ChessBoard 对象共享这 30 个 ChessPieceUnit 对象（因为象棋中只有 30 个棋子）。在使用享元模式之前，记 录 1 万个棋局，我们要创建 30 万（30*1 万）个棋子的 ChessPieceUnit 对象。利用享元模式，我们只需要创建 30 个享元对象供所有棋局共享使用即可，大大节省了内存。

那享元模式的原理讲完了，我们来总结一下它的代码结构。实际上，它的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 来缓存已经创建过的享元对象，来达到复用的目的。

享元模式 vs 单例、缓存、对象池

在上面的讲解中，我们多次提到“共享”“缓存”“复用”这些字眼，那它跟单例、缓存、 对象池这些概念有什么区别呢？我们来简单对比一下。

我们先来看享元模式跟单例的区别。

在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多处代码引用共享。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。

我们前面也多次提到，区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看，享元模式和多例有很多相似之处，但从设计意图上来看，它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例模式是为 了限制对象的个数。

我们再来看享元模式跟缓存的区别。

在享元模式的实现中，我们通过工厂类来“缓存”已经创建好的对象。这里的“缓存”实际上是“存储”的意思，跟我们平时所说的“数据库缓存”“CPU 缓存”“MemCache 缓存”是两回事。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。

最后我们来看享元模式跟对象池的区别。

对象池、连接池（比如数据库连接池）、线程池等也是为了复用，那它们跟享元模式有什么区别呢？

你可能对连接池、线程池比较熟悉，对对象池比较陌生，所以，这里我简单解释一下对象池。像 C++ 这样的编程语言，内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地进行对象创建和释放导致内存碎片，我们可以预先申请一片连续的内存空间，也就是这里说的对象池。 每次创建对象时，我们从对象池中直接取出一个空闲对象来使用，对象使用完成之后，再放回到对象池中以供后续复用，而非直接释放掉。

虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用，但是，如果我们再细致地抠一抠“复用”这个字眼的话，对象池、连接池、线程池等池化技术中的“复用”和享元模式中的“复用”实际上是不同的概念。

池化技术中的“复用”可以理解为“重复使用”，主要目的是节省时间（比如从数据库池中 取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。享元模式中的“复用”可以理解为“共享使用”，在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。

享元模式在 Java Integer 中的应用

我们先来看下面这样一段代码。你可以先思考下，这段代码会输出什么样的结果。

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Integer i1 = 56;
Integer i2 = 56; // 底层采用 Integer.valueOf(56);
Integer i3 = 129;
Integer i4 = 129; // 底层采用 new Integer(129);
System.out.println(i1 == i2);
System.out.println(i3 == i4);

答案是一个 true，一个 false。实际上，这正是因为 Integer 用到了享元模式来复用对象，才导致了这样的运行结果。当我们通过自动装箱，也就是调用 valueOf() 来创建 Integer 对象的时候，如果要创建的 Integer 对象的值在 -128 到 127 之间，会从 IntegerCache 类中直接返回，否则才调用 new 方法创建。看代码更加清晰一些，Integer 类的 valueOf() 函 数的具体代码如下所示：

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public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

实际上，这里的 IntegerCache 相当于，我们上面讲的生成享元对象的工厂类，只不 过名字不叫 xxxFactory 而已。我们来看它的具体代码实现。这个类是 Integer 的内部类， 你也可以自行查看 JDK 源码。

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/**
* Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values betweent
* -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
*
* The cache is initialized on first usage. The size of the cache
* may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.
* During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
* may be set and saved in the private system properties in the
* sun.misc.VM class.
*/
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128; // 低位
    static final int high; // 高位，可动态指定
    static final Integer cache[]; // 享元对象存放数组
    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
        String integerCacheHighPropValue = sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high")
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                    // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                }
            }
        high = h;
        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);
        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
        assert IntegerCache.high >= 127;
    }
    private IntegerCache() {}
}

为什么 IntegerCache 只缓存 -128 到 127 之间的整型值呢？

在 IntegerCache 的代码实现中，当这个类被加载的时候，缓存的享元对象会被集中一次性创建好。毕竟整型值太多了，我们不可能在 IntegerCache 类中预先创建好所有的整型值， 这样既占用太多内存，也使得加载 IntegerCache 类的时间过长。所以，我们只能选择缓存对于大部分应用来说最常用的整型值，也就是一个字节的大小（-128 到 127 之间的数据）。

现在，让我们再回到最开始的问题，因为 56 处于 -128 和 127 之间，i1 和 i2 会指向相同的享元对象，所以 i1==i2 返回 true。而 129 大于 127，并不会被缓存，每次都会创建一 个全新的对象，也就是说，i3 和 i4 指向不同的 Integer 对象，所以 i3==i4 返回 false。

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