设计模式笔记 – 享元模式

享元模式(Flyweight Pattern)主要用于减少创建对象的数量,以减少内存占用和提高性能。这种类型的设计模式属于结构型模式,它提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。

享元模式尝试重用现有的同类对象,如果未找到匹配的对象,则创建新对象。我们将通过创建 5 个对象来画出 20 个分布于不同位置的圆来演示这种模式。由于只有 5 种可用的颜色,所以 color 属性被用来检查现有的 Circle 对象。

介绍

  • 意图: 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
  • 主要解决: 在有大量对象时,有可能会造成内存溢出,我们把其中共同的部分抽象出来,如果有相同的业务请求,直接返回在内存中已有的对象,避免重新创建。
  • 何时使用: 1、系统中有大量对象。 2、这些对象消耗大量内存。 3、这些对象的状态大部分可以外部化。 4、这些对象可以按照内蕴状态分为很多组,当把外蕴对象从对象中剔除出来时,每一组对象都可以用一个对象来代替。 5、系统不依赖于这些对象身份,这些对象是不可分辨的。
  • 如何解决: 用唯一标识码判断,如果在内存中有,则返回这个唯一标识码所标识的对象。
  • 关键代码: 用 HashMap 存储这些对象。
  • 优点: 大大减少对象的创建,降低系统的内存,使效率提高。
  • 缺点: 提高了系统的复杂度,需要分离出外部状态和内部状态,而且外部状态具有固有化的性质,不应该随着内部状态的变化而变化,否则会造成系统的混乱。
  • 应用实例: 1、JAVA 中的 String,如果有则返回,如果没有则创建一个字符串保存在字符串缓存池里面。 2、数据库的数据池。
  • 使用场景: 1、系统有大量相似对象。 2、需要缓冲池的场景。
  • 注意事项: 1、注意划分外部状态和内部状态,否则可能会引起线程安全问题。 2、这些类必须有一个工厂对象加以控制。

示例

我们将创建一个 Shape 接口和实现了 Shape 接口的实体类 Circle。下一步是定义工厂类 ShapeFactory

ShapeFactory 有一个 CircleHashMap,其中键名为 Circle 对象的颜色。无论何时接收到请求,都会创建一个特定颜色的圆。ShapeFactory 检查它的 HashMap 中的 circle 对象,如果找到 Circle 对象,则返回该对象,否则将创建一个存储在 hashmap 中以备后续使用的新对象,并把该对象返回到客户端。

FlyWeightPatternDemo,我们的演示类使用 ShapeFactory 来获取 Shape 对象。它将向 ShapeFactory 传递信息(red / green / blue/ black / white),以便获取它所需对象的颜色。

Java 实现

创建一个接口

public interface Shape {
    void draw();
}

创建实现接口的实体类

public class Circle implements Shape {
    private String color;
    private int x;
    private int y;
    private int radius;
    public Circle(String color) {
        this.color = color;
    }
    public void setX(int x) {
        this.x = x;
    }
    public void setY(int y) {
        this.y = y;
    }
    public void setRadius(int radius) {
        this.radius = radius;
    }
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Circle: Draw() [Color: "+color+", x: "+x+", y: "+y+", radius: "+radius+"]");
    }
}

创建一个工厂,生成基于给定信息的实体类对象

import java.util.HashMap;

public class ShapeFactory {
    private static final HashMap<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();
    public static Shape getCircle(String color) {
        Circle circle = (Circle)circleMap.get(color);
        if (circle == null){
            circle = new Circle(color);
            circleMap.put(color, circle);
            System.out.println("Creating circle of color: "+color);
        }
        return circle;
    }
}

使用该工厂,通过传递颜色信息来获取实体类对象

public class FlyweightPatternDemo {
    private static final String colors[] = 
        { "Red", "Green", "Blue", "White", "Black" };
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i < 20; ++i) {
            Circle circle = (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
            circle.setX(getRandomX());
            circle.setY(getRandomY());
            circle.setRadius(100);
            circle.draw();
        }
    }
    private static String getRandomColor() {
        return colors[(int)(Math.random()*colors.length)];
    }
    private static int getRandomX() {
        return (int)(Math.random()*100 );
    }
    private static int getRandomY() {
        return (int)(Math.random()*100);
    }
}

Python 实现

import abc
import random

class Shape(abc.ABC):
    @abc.abstractmethod
    def draw(self): ...

class Circle(Shape):
    def __init__(self, color: str):
        self.color = color
        self.x = 0
        self.y = 0
        self.radius = 0

    def set_x(self, x: int):
        self.x = x

    def set_y(self, y: int):
        self.y = y

    def set_radius(self, radius: int):
        self.radius = radius

    def draw(self):
        print(f"Circle: Draw() [Color: {self.color}, "
              f"x: {self.x}, y: {self.y}, radius: {self.radius}]")

class ShapeFactory(object):
    circle_map = {}

    @classmethod
    def get_circle(cls, color: str) -> Circle:
        circle = cls.circle_map.get(color)
        if circle is None:
            circle = Circle(color)
            cls.circle_map[color] = circle
            print(f"Creating circle of color: {color}")
        return circle

if __name__ == "__main__":
    colors = ['Red', 'Green', 'Blue', 'White', 'Black']

    def get_random_color():
        return colors[random.randint(0, 4)]

    def get_random_x():
        return random.randint(0, 100)

    def get_random_y():
        return random.randint(0, 100)

    for i in range(20):
        circle = ShapeFactory.get_circle(get_random_color())
        circle.set_x(get_random_x())
        circle.set_y(get_random_y())
        circle.set_radius(100)
        circle.draw()

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