设计模式之享元模式：共享细粒度对象，降低内存占用

这是 2020 年 6 月整理的设计模式专题第九篇。享元模式是”以共享换性能”的代表——大量相似对象重复创建很浪费内存，共享起来就省了。Java 的 Integer 缓存、字符串常量池、连接池，都是它的应用。

简单说明

享元模式（Flyweight Pattern）：提供了减少对象的数量从而改善应用所需的对象结构的方式，运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

• 常常应用于系统底层开发，以便解决系统的性能问题；
• 或者系统中有大量相似对象，需要缓冲池的场景。

内部状态与外部状态

享元模式最关键的概念是状态分离：

核心思想：把可共享的内部状态放进享元对象缓存复用；把不可共享的外部状态在使用时由客户端传入，不存入共享对象。

/**
 * 描述：享元接口
 */
public interface Chess {
    void play(int x, int y);   // x,y 是外部状态，由客户端传入
}

/**
 * 描述：具体享元：棋子（内部状态：颜色）
 */
public class ChessPiece implements Chess {
    private String color;      // 内部状态：可共享

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

    @Override
    public void play(int x, int y) {
        System.out.println(color + "棋落在(" + x + "," + y + ")");
    }
}

/**
 * 描述：享元工厂：用 Map 缓存，复用对象
 */
public class ChessFactory {
    private static final Map<String, Chess> CHESS_MAP = new HashMap<>();

    public static Chess getChess(String color) {
        // 缓存中已有就直接复用，没有才创建
        Chess chess = CHESS_MAP.get(color);
        if (chess == null) {
            chess = new ChessPiece(color);
            CHESS_MAP.put(color, chess);
        }
        return chess;
    }
}

public class FlyweightTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 一盘棋 32 颗棋子，但只有黑白 2 个享元对象，位置由外部传入
        Chess black1 = ChessFactory.getChess("黑");
        Chess black2 = ChessFactory.getChess("黑");
        System.out.println("black1 == black2 : " + (black1 == black2));  // true，同一个对象

        black1.play(1, 1);
        black2.play(2, 2);
    }
}

关键：black1 == black2 为 true——同样的”黑棋”对象被反复复用，只有位置（外部状态）在变。

优点与缺点

优点：

• 减少对象的创建，降低内存中对象数量，降低系统内存，提高效率；
• 减少内存之外其他资源的占用（如数据库连接、线程等昂贵资源）。

缺点：

• 需要关注内外部状态的划分，关注线程安全问题（共享对象被并发修改）；
• 使系统、程序逻辑复杂化。

实现要点

将对象创建后，用例如 Map 结构缓存起来，再用的时候直接从缓存容器中获取。例如各种连接池功能的实现。

public class ConnectionPool {
    private static final List<Connection> POOL = new LinkedList<>();
    // 初始化时创建固定数量连接放入池中
    // 取用：从池中借出；用完：归还到池中
}

现实中的应用

适用场景

• 系统中有大量相似对象，导致内存占用过高；
• 对象大部分状态可以外部化；
• 需要缓冲池来复用昂贵资源。

小结

• 享元模式通过共享技术支持大量细粒度对象，减少对象数量，降低内存。
• 核心是内外部状态分离：内部状态可共享进缓存，外部状态由客户端传入。
• 实现：Map 缓存 + 复用，取用返回已有对象，没有才创建。
• 两大难点：线程安全、内外部状态划分（会复杂化系统逻辑）。
• 一句话：颜色共享、位置外传——把不变的东西缓存，把变化的东西传参。