一、享元模式的定义
享元模式是一种结构型设计模式，它通过共享对象来支持大量细粒度的对象，减少内存消耗。享元模式的核心思想是：将对象分为共享部分和非共享部分，只有共享部分是被多个对象共享的，而非共享部分则是每个对象独有的。这样，我们可以大大减少内存中的重复对象。
在开发大型应用时，尤其是在对象数量非常庞大的情况下，内存使用和性能优化变得尤为重要。例如，在电影院座位管理、图形绘制、文字显示等应用中，我们可能会遇到大量重复的对象实例。如果每次都创建独立的对象，就会占用大量内存，从而影响系统的性能。享元模式（Flyweight Pattern）提供了一种有效的解决方案，能够减少对象的创建，优化内存使用。
二、享元模式的角色
- 抽象享元（Flyweight）：定义享元对象的接口，包含共享的部分。
- 具体享元（ConcreteFlyweight）：实现抽象享元接口，具体的享元对象共享相同的数据。
- 非享元（UnsharedConcreteFlyweight）：不需要共享的部分，通常是具体享元对象中的一部分。
- 享元工厂（FlyweightFactory）：负责创建和管理享元对象，确保共享对象的复用。
三、例子讲解：电影院座位预定
假设我们在开发一个电影院座位预定系统，影院的座位可以通过一个编号来唯一标识。例如，座位编号为“A1”、“A2”、“B1”等。当用户选择某个座位进行预定时，我们需要管理这些座位的状态：是否被预定。
如果我们为每个座位都创建一个独立的对象，那么当座位很多时，会消耗大量的内存。为了优化内存使用，我们可以采用享元模式，将座位的编号和预定状态作为享元对象，避免重复创建相同编号的座位对象。
1. Seat 接口
首先定义一个座位接口，包含两个方法：reserve()用于预定座位，isReserved()用于检查座位是否已预定。
public interface Seat {void reserve(); // 预订座位的方法boolean isReserved(); // 检查座位是否已预订
}
2. ConcreteSeat 类（具体享元）
ConcreteSeat是座位的具体实现，它包含座位编号（seatNumber）和是否预定的状态（reserved）。这部分数据是共享的，可以被多个对象复用。
public class ConcreteSeat implements Seat {private String seatNumber; // 座位编号private boolean reserved; // 座位是否已预定public ConcreteSeat(String seatNumber) {this.seatNumber = seatNumber;this.reserved = false; // 默认座位未预定}@Overridepublic void reserve() {this.reserved = true;}@Overridepublic boolean isReserved() {return reserved;}public String getSeatNumber() {return seatNumber;}
}
3. SeatFactory 类（享元工厂）
SeatFactory 是享元工厂，它负责创建并管理享元对象。它维护了一个seatMap，用于缓存已经创建的座位。当请求某个座位时，如果该座位已存在，则直接复用；如果不存在，则创建新的座位对象。
public class SeatFactory {private static Map<String, Seat> seatMap = new HashMap<>();public static Seat getSeat(String seatNumber) {// 如果座位已经存在，则复用if (!seatMap.containsKey(seatNumber)) {seatMap.put(seatNumber, new ConcreteSeat(seatNumber)); // 创建新座位}return seatMap.get(seatNumber); // 返回已有座位}
}
4. CinemaHall 类（非享元）
CinemaHall 是一个非享元类，它代表电影院。电影院拥有多个座位，座位的创建通过享元工厂来完成。每个电影院座位对象（Seat）都是享元对象的复用，而非享元部分是每个座位的预定状态（reserved）和座位管理（addSeats()、reserveSeat()）。
public class CinemaHall {private String hallName; // 影厅名称private Map<String, Seat> seats = new HashMap<>(); // 储存该影厅的所有座位public CinemaHall(String hallName) {this.hallName = hallName;}// 使用享元工厂获取或创建座位public void addSeats(String seatNumber) {Seat seat = SeatFactory.getSeat(seatNumber);seats.put(seatNumber, seat);}// 预定座位public void reserveSeat(String seatNumber) {Seat seat = seats.get(seatNumber);if (seat != null && !seat.isReserved()) {seat.reserve();System.out.println("座位 " + seatNumber + " 已被预定");} else {System.out.println("座位 " + seatNumber + " 已被预定或不存在");}}// 显示座位状态public void showSeats() {for (String seatNumber : seats.keySet()) {System.out.println("座位：" + seatNumber + " 被预定：" + seats.get(seatNumber).isReserved());}}
}
5. 测试类（TestFlyweight）
我们可以通过测试类来验证享元模式的有效性。测试代码通过SeatFactory来创建和管理座位，确保相同编号的座位不会被重复创建，从而减少内存消耗。
public class TestFlyweight {public static void main(String[] args) {CinemaHall cinemaHall = new CinemaHall("影厅一");// 添加座位cinemaHall.addSeats("A1");cinemaHall.addSeats("A2");cinemaHall.addSeats("B1");cinemaHall.addSeats("B2");// 预定座位cinemaHall.reserveSeat("A1");cinemaHall.reserveSeat("B1");// 显示座位状态cinemaHall.showSeats();}
}
四、享元模式的优势
- 减少内存消耗：享元模式通过共享相同的数据来减少对象的创建，节省内存空间。
- 提高性能：减少不必要的对象创建，提高系统性能，尤其是在对象数量巨大时。
- 适用于大量细粒度对象的场景：在需要管理大量相似对象的情况下，享元模式能显著提升效率。
五、结论
享元模式通过共享对象来优化内存使用，特别适用于系统中存在大量重复对象的场景。通过享元工厂，我们能够实现对象的复用，从而大大节省内存。在实际开发中，享元模式非常适合用于处理类似座位管理、字符渲染等需要大量对象的场景。通过本例，我们深入理解了享元模式的核心思想及实现方式，并学习了如何应用它来解决内存消耗问题。