如何通过设计模式来节省内存

科技绿洲 2023-10-09 502

科技绿洲

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描述

相信大家日常开发过程中，一个优秀的程序猿写出的代码一定要节省空间的，比如节省内存，节省磁盘等等。那么如何通过设计模式来节省内存呢？

1、什么是享元模式？

Use sharing to support large numbers of fine-grained objects efficiently.

享元模式（Flyweight Pattern）：使用共享对象可有效地支持大量的细粒度的对象。

说人话：复用对象，节省内存。

2、享元模式定义

内存

①、Flyweight——抽象享元角色

是一个产品的抽象类， 同时定义出对象的外部状态和内部状态的接口或实现。

一个对象信息可以分为内部状态和外部状态。

内部状态 ：对象可共享出来的信息， 存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变，可以作为一个对象的动态附加信息， 不必直接储存在具体某个对象中， 属于可以共享的部分。

外部状态 ：对象得以依赖的一个标记， 是随环境改变而改变的、 不可以共享的状态。

②、ConcreteFlyweight——具体享元角色

具体的一个产品类， 实现抽象角色定义的业务。该角色中需要注意的是内部状态处理应该与环境无关， 不应该出现一个操作改变了内部状态， 同时修改了外部状态， 这是绝对不允许的。

③、unsharedConcreteFlyweight——不可共享的享元角色

不存在外部状态或者安全要求（如线程安全） 不能够使用共享技术的对象， 该对象一般不会出现在享元工厂中。

④、FlyweightFactory——享元工厂

职责非常简单， 就是构造一个池容器， 同时提供从池中获得对象的方法。

3、享元模式通用代码

/**
 * 抽象享元角色
 */
public abstract class Flyweight {
    // 内部状态
    private String instrinsic;

    // 外部状态 通过 final 修改，防止修改
    protected final String extrinsic;

    protected Flyweight(String extrinsic) {
        this.extrinsic = extrinsic;
    }

    // 定义业务操作
    public abstract void operate();

    public String getInstrinsic() {
        return instrinsic;
    }

    public void setInstrinsic(String instrinsic) {
        this.instrinsic = instrinsic;
    }
}

/**
 * 具体享元角色1
 */
public class ConcreteFlyweight1 extends Flyweight{

    protected ConcreteFlyweight1(String extrinsic) {
        super(extrinsic);
    }

    @Override
    public void operate() {
        System.out.println("具体享元角色1");
    }
}

/**
 * 具体享元角色2
 */
public class ConcreteFlyweight2 extends Flyweight{

    protected ConcreteFlyweight2(String extrinsic) {
        super(extrinsic);
    }

    @Override
    public void operate() {
        System.out.println("具体享元角色2");
    }
}

public class FlyweightFactory {
    // 定义一个池容器
    private static HashMap< String,Flyweight > pool = new HashMap<  >();

    // 享元工厂
    public static Flyweight getFlyweight(String extrinsic){
        // 需要返回的对象
        Flyweight flyweight = null;
        // 池中没有该对象
        if(pool.containsKey(extrinsic)){
            flyweight = pool.get(extrinsic);
        }else{
            // 根据外部状态创建享元对象
            flyweight = new ConcreteFlyweight1(extrinsic);
            // 放置到池中
            pool.put(extrinsic,flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

4、通过享元设计文本编辑器

假设文本编辑器只包含文字编辑功能，而且只记录文字和格式两部分信息，其中格式包括文字的字体型号、大小、颜色等信息。

4.1 普通实现

通常设计是把每个文字看成一个单独对象。

package com.itcoke.designpattern.flyweight.edittext;

/**
 * 单个文字对象
 */
public class Character {
    // 字符
    private char c;
    // 字体型号
    private String font;
    // 字体大小
    private int size;
    // 字体颜色
    private int colorRGB;

    public Character(char c, String font, int size, int colorRGB){
        this.c = c;
        this.font = font;
        this.size = size;
        this.colorRGB = colorRGB;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.valueOf(c);
    }
}

/**
 * 编辑器实现
 */
public class Editor {
    private ArrayList< Character > chars = new ArrayList<  >();

    public void appendCharacter(char c, String font, int size, int colorRGB){
        Character character = new Character(c,font,size,colorRGB);
        chars.add(character);
    }

    public void display(){
        System.out.println(chars);
    }
}

客户端：

public class EditorClient {
    public static void main(String[] args) {
        Editor editor = new Editor();
        editor.appendCharacter('A',"宋体",11,0XFFB6C1);
        editor.appendCharacter('B',"宋体",11,0XFFB6C1);
        editor.appendCharacter('C',"宋体",11,0XFFB6C1);
        editor.display();
    }
}

4.2 享元模式改写

上面的问题很容易发现，每一个字符就会创建一个 Character 对象，如果是几百万个字符，那内存中就会存在几百万的对象，那怎么去节省这些内存呢？

其实，分析一下，对于字体的格式，通常不会有很多，于是我们可以把字体格式设置为享元，也就是上面说的可以共享的内部状态。

内部状态（共享）：字体类型、大小、颜色

外部状态（不共享）：字符

于是代码改写如下：

public class CharacterStyle {
    // 字体型号
    private String font;
    // 字体大小
    private int size;
    // 字体颜色
    private int colorRGB;

    public CharacterStyle(String font, int size, int colorRGB) {
        this.font = font;
        this.size = size;
        this.colorRGB = colorRGB;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        CharacterStyle that = (CharacterStyle) o;
        return size == that.size &&
                colorRGB == that.colorRGB &&
                Objects.equals(font, that.font);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(font, size, colorRGB);
    }
}

public class CharacterStyleFactory {

    private static final Map< CharacterStyle,CharacterStyle > mapStyles = new HashMap<  >();

    public static CharacterStyle getStyle(String font, int size, int colorRGB){
        CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font,size,colorRGB);

        if(mapStyles.containsKey(newStyle)){
            return mapStyles.get(newStyle);
        }
        mapStyles.put(newStyle,newStyle);
        return newStyle;
    }
}

public class Character {
    private char c;
    private CharacterStyle style;

    public Character(char c, CharacterStyle style) {
        this.c = c;
        this.style = style;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.valueOf(c);
    }
}

public class Editor {
    private List< Character > chars = new ArrayList<  >();

    public void appendCharacter(char c, String font, int size, int colorRGB){
        Character character = new Character(c,CharacterStyleFactory.getStyle(font,size,colorRGB));
        chars.add(character);
    }

    public void display(){
        System.out.println(chars);
    }
}

5、享元模式在 java.lang.Integer 中应用

看下面这段代码，打印结果是啥？

public class IntegerTest {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = 56;
        Integer i2 = 56;
        Integer i3 = 129;
        Integer i4 = 129;
        System.out.println(i1 == i2); 
        System.out.println(i3 == i4); 
    }
}

内存

为什么是这种结果呢？

首先说一下 Integer i = 59；底层执行了：Integer i = Integer.valueOf(59); 这是自动装箱。

int j = i; 底层执行了：int j = i.intValue(); 这是自动拆箱。

然后我们Integer.valueOf() 方法：

内存

再看 IntegerCache 源码：

private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            // high value may be configured by property
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                    // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                }
            }
            high = h;

            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);

            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high >= 127;
        }

        private IntegerCache() {}
    }

其实这就是我们前面说的享元对象的工厂类，缓存 -128 到 127 之间的整型值，这是最常用的一部分整型值，当然JDK 也提供了方法来让我们可以自定义缓存的最大值。

6、享元模式优点

减少应用程序创建的对象， 降低程序内存的占用， 增强程序的性能。

但它同时也提高了系统复杂性， 需要分离出外部状态和内部状态， 而且外部状态具有固化特性， 不应该随内部状态改变而改变， 否则导致系统的逻辑混乱。

7、享元模式应用场景

①、系统中存在大量的相似对象。

②、细粒度的对象都具备较接近的外部状态， 而且内部状态与环境无关， 也就是说对象没有特定身份。

③、需要缓冲池的场景。

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