享元模式

概念

享元模式是一种结构型设计模式，通过共享对象来减少内存占用和对象创建开销。其核心思想是将对象状态分为两类：

1.内部状态（Intrinsic）：可共享的、不变的部分（如颜色），存储在享元对象内部。

2.外部状态（Extrinsic）：不可共享的、变化的部分（如位置、半径），由客户端在调用时传递。

作用

1.减少重复对象的创建，显著降低内存消耗。

2.提升系统性能，尤其在对象初始化成本较高时效果明显。

3.适用于需要管理大量相似对象的场景，通过对象复用优化资源。

场景

1.系统需要创建大量相似对象（如游戏中的粒子系统、文档编辑器中的字符对象）。

2.对象的大部分状态可以外部化（即状态可分离为内部共享部分和外部变化部分）。

3.需要缓存或对象池的场景（如网络请求复用、图形渲染中的基础元素复用）。

举例

以下是享元模式的典型实现代码：

// 享元接口
interface Circle {
    void draw(int x, int y, int radius);
}

// 具体享元类
class ConcreteCircle implements Circle {
    private final String color; // 内部状态（共享）

    public ConcreteCircle(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw(int x, int y, int radius) { // 外部状态作为参数
        System.out.printf("Drawing %s circle at (%d,%d) with radius %d\n", 
                         color, x, y, radius);
    }
}

// 享元工厂
class CircleFactory {
    private static final Map<String, Circle> circleMap = new HashMap<>();

    public static Circle getCircle(String color) {
        // 如果没有生成特定颜色的圆，则生成并保存，最后再返回
        if (!circleMap.containsKey(color)) {
            Circle newCircle = new ConcreteCircle(color);
            circleMap.put(color, newCircle);
        } 
        return circleMap.get(color);
    }
}

// 客户端使用
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String[] colors = {"Red", "Blue", "Green"};
        
        // 获取10个圆形，但实际只创建3个对象
        for(int i=0; i<10; i++){
            String color = colors[i % 3];
            Circle circle = CircleFactory.getCircle(color);
            circle.draw(i*10, i*20, 5); // 外部状态每次不同
        }
    }
}

反例

未使用享元模式时，每次创建对象都会生成新实例，导致内存浪费：

// 未使用享元的简单圆形类
class SimpleCircle {
    private String color;
    
    public SimpleCircle(String color) {
        this.color = color;
    }
    
    public void draw(int x, int y, int radius) {
        System.out.printf("Drawing %s circle at (%d,%d) with radius %d\n", 
                         color, x, y, radius);
    }
}

// 客户端使用（每次创建新对象）
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String[] colors = {"Red", "Blue", "Green"};
        
        // 每次都会创建新对象（共创建10个对象）
        for(int i=0; i<10; i++){
            String color = colors[i % 3];
            SimpleCircle circle = new SimpleCircle(color); // 每次都新建对象
            circle.draw(i*10, i*20, 5);
        }
    }
}

原理

享元模式的核心是通过对象复用，将对象数量从“使用次数级别”降低到“不同内部状态组合级别”。例如，上述例子中10次调用仅创建3个对象（对应3种颜色），而非10个。其本质是区分对象的固有属性（内部状态）和运行时可变属性（外部状态），通过工厂模式管理共享对象的生命周期。

缺点

1.增加系统复杂性：需明确区分内部状态和外部状态，设计难度提升。

2.状态管理要求高：需确保内部状态真正不可变，外部状态正确传递，否则可能引发逻辑错误。

3.线程安全问题：共享对象在多线程环境下需额外同步机制，否则可能引发并发问题。

总结

享元模式通过共享对象优化内存使用，适用于大量相似对象的场景。其关键在于正确区分内部状态（共享）和外部状态（动态传递），并通过工厂模式管理共享实例。实际开发中，Java的String常量池、Integer.valueOf()缓存（-128~127）均为享元模式的经典应用。