# 54 | 享元模式(上):如何利用享元模式优化文本编辑器的内存占用? 上一节课中,我们讲了组合模式。组合模式并不常用,主要用在数据能表示成树形结构、能通过树的遍历算法来解决的场景中。今天,我们再来学习一个不那么常用的模式,**享元模式**(Flyweight Design Pattern)。这也是我们要学习的最后一个结构型模式。 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,我会通过棋牌游戏和文本编辑器两个实际的例子来讲解。除此之外,我还会讲到它跟单例、缓存、对象池的区别和联系。在下一节课中,我会带你剖析一下享元模式在Java Integer、String中的应用。 话不多说,让我们正式开始今天的学习吧! ## 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。 ``` 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 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: ``` // 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 } // ...省略其他属性和getter方法... } public class ChessPieceUnitFactory { private static final Map 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; 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 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。 ## 享元模式在文本编辑器中的应用 弄懂了享元模式的原理和实现之后,我们再来看另外一个例子,也就是文章标题中给出的:如何利用享元模式来优化文本编辑器的内存占用? 你可以把这里提到的文本编辑器想象成Office的Word。不过,为了简化需求背景,我们假设这个文本编辑器只实现了文字编辑功能,不包含图片、表格等复杂的编辑功能。对于简化之后的文本编辑器,我们要在内存中表示一个文本文件,只需要记录文字和格式两部分信息就可以了,其中,格式又包括文字的字体、大小、颜色等信息。 尽管在实际的文档编写中,我们一般都是按照文本类型(标题、正文……)来设置文字的格式,标题是一种格式,正文是另一种格式等等。但是,从理论上讲,我们可以给文本文件中的每个文字都设置不同的格式。为了实现如此灵活的格式设置,并且代码实现又不过于太复杂,我们把每个文字都当作一个独立的对象来看待,并且在其中包含它的格式信息。具体的代码示例如下所示: ``` public class Character {//文字 private char c; private Font font; private int size; private int colorRGB; public Character(char c, Font font, int size, int colorRGB) { this.c = c; this.font = font; this.size = size; this.colorRGB = colorRGB; } } public class Editor { private List chars = new ArrayList<>(); public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) { Character character = new Character(c, font, size, colorRGB); chars.add(character); } } ``` 在文本编辑器中,我们每敲一个文字,都会调用Editor类中的appendCharacter()方法,创建一个新的Character对象,保存到chars数组中。如果一个文本文件中,有上万、十几万、几十万的文字,那我们就要在内存中存储这么多Character对象。那有没有办法可以节省一点内存呢? 实际上,在一个文本文件中,用到的字体格式不会太多,毕竟不大可能有人把每个文字都设置成不同的格式。所以,对于字体格式,我们可以将它设计成享元,让不同的文字共享使用。按照这个设计思路,我们对上面的代码进行重构。重构后的代码如下所示: ``` public class CharacterStyle { private Font font; private int size; private int colorRGB; public CharacterStyle(Font font, int size, int colorRGB) { this.font = font; this.size = size; this.colorRGB = colorRGB; } @Override public boolean equals(Object o) { CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) o; return font.equals(otherStyle.font) && size == otherStyle.size && colorRGB == otherStyle.colorRGB; } } public class CharacterStyleFactory { private static final List styles = new ArrayList<>(); public static CharacterStyle getStyle(Font font, int size, int colorRGB) { CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font, size, colorRGB); for (CharacterStyle style : styles) { if (style.equals(newStyle)) { return style; } } styles.add(newStyle); return newStyle; } } public class Character { private char c; private CharacterStyle style; public Character(char c, CharacterStyle style) { this.c = c; this.style = style; } } public class Editor { private List chars = new ArrayList<>(); public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) { Character character = new Character(c, CharacterStyleFactory.getStyle(font, size, colorRGB)); chars.add(character); } } ``` ## 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。 ## 重点回顾 好了,今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下,你需要重点掌握的内容。 **1.享元模式的原理** 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,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,以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。 **2.享元模式的实现** 享元模式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或者List来缓存已经创建好的享元对象,以达到复用的目的。 **3.享元模式VS单例、缓存、对象池** 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。这里的区别也不例外。 我们可以用简单几句话来概括一下它们之间的区别。应用单例模式是为了保证对象全局唯一。应用享元模式是为了实现对象复用,节省内存。缓存是为了提高访问效率,而非复用。池化技术中的“复用”理解为“重复使用”,主要是为了节省时间。 ## 课堂讨论 1. 在棋牌游戏的例子中,有没有必要把ChessPiecePosition设计成享元呢? 2. 在文本编辑器的例子中,调用CharacterStyleFactory类的getStyle()方法,需要在styles数组中遍历查找,而遍历查找比较耗时,是否可以优化一下呢? 欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获,也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。