技术成神之路：设计模式（十四）享元模式

相关文章：技术成神之路：二十三种设计模式(导航页)

介绍

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构性设计模式，旨在通过共享对象来有效地支持大量细粒度的对象。

1.定义

---

享元模式通过将对象状态分为内部状态（可以共享）和外部状态（不可共享），来减少内存使用和提高性能。

2. 主要作用

---

• 降低内存消耗
• 提高性能
• 共享相似对象

3. 解决的问题

---

当程序中存在大量相似对象时，使用享元模式可以有效减少内存占用，避免重复对象的创建。

4. 模式原理

---

包含角色：

1. Flyweight： 抽象享元类，定义了享元对象的接口。
2. ConcreteFlyweight： 具体享元类，实现了抽象享元类的接口，负责存储内部状态。
3. FlyweightFactory： 享元工厂类，用于创建和管理享元对象，确保共享。

UML类图：

示例：
模拟一个图形绘制的场景，其中使用享元模式共享相同的图形对象（如圆）：

// 享元接口
interface Shape {
    void draw(String color);
}

// 具体享元类
class Circle implements Shape {
    private String color;

    public Circle(String color) {
        this.color = color;
        System.out.println("Creating Circle of color: " + color);
    }

    @Override
    public void draw(String color) {
        System.out.println("Drawing Circle of color: " + color);
    }
}

// 享元工厂类
class ShapeFactory {
    private static final Map<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);
        }
        return circle;
    }
}

// 使用
public class FlyweightPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();

        // 共享相同颜色的圆
        Shape circle1 = shapeFactory.getCircle("Red");
        circle1.draw("Red");

        Shape circle2 = shapeFactory.getCircle("Green");
        circle2.draw("Green");

        Shape circle3 = shapeFactory.getCircle("Red");
        circle3.draw("Red");

        System.out.println("Total Circles created: " + ShapeFactory.circleMap.size());
    }
}

打印输出：

Creating Circle of color: Red
Drawing Circle of color: Red
Creating Circle of color: Green
Drawing Circle of color: Green
Drawing Circle of color: Red
Total Circles created: 2

🆗，从这个简单的示例，你会发现享元模式其实很简单，就是共享对象 复用对象，一般开发中并不常用。

在安卓中 Handler的Message 就使用了享元模式，因为在安卓中 几乎所有事件驱动都是通过Message来进行的，可以说它无处不在，这时候就可以使用享元模式以优化内存使用和提高性能。

下面就以 Message 为例，从源码角度剖析其实现原理！

Message 的池化机制
在 Message 类中，有一个静态的对象池，用于存放可重用的 Message 实例。

    public static final Object sPoolSync = new Object();
    private static Message sPool;//这是一个链表的头指针，指向池中可重用的 Message 对象
    private static int sPoolSize = 0;//记录池中当前的对象数量。

    private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;//定义池的最大容量。

    private static boolean gCheckRecycle = true;//一个标志位，用于检查回收的消息是否有效。

    /**
     * Return a new Message instance from the global pool. Allows us to
     * avoid allocating new objects in many cases.
     */
    public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPool != null) {
                Message m = sPool;
                sPool = m.next;
                m.next = null;
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize--;
                return m;
            }
        }
        return new Message();
    }

    public void recycle() {
        if (isInUse()) {
            if (gCheckRecycle) {
                throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it "
                        + "is still in use.");
            }
            return;
        }
        recycleUnchecked();
    }

    /**
     * Recycles a Message that may be in-use.
     * Used internally by the MessageQueue and Looper when disposing of queued Messages.
     */
    @UnsupportedAppUsage
    void recycleUnchecked() {
        // Mark the message as in use while it remains in the recycled object pool.
        // Clear out all other details.
        flags = FLAG_IN_USE;
        what = 0;
        arg1 = 0;
        arg2 = 0;
        obj = null;
        replyTo = null;
        sendingUid = UID_NONE;
        workSourceUid = UID_NONE;
        when = 0;
        target = null;
        callback = null;
        data = null;

        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
                next = sPool;
                sPool = this;
                sPoolSize++;
            }
        }
    }

这里所谓的池 并不是一个集合容器 而是 Message 对象通过 next 属性构成一个链表。每个 Message 对象可以指向下一个可用的 Message，实现了简单的对象池。

当对象不再需要时（如在处理完消息后），调用recycle()可以将其放回池中（通过设置 next 指向池头 sPool），这样下次调用 obtain 时就能复用这些对象，而不是每次都新建。

在调用recycle()可以发现 有一个 isInUse()方法判断这个Message是否正在使用，这个其实不用开发者操心的，因为所有的消息都要经过Looper这个 “传送带”，内部自动回收，翻开Looper的源码文件你会发现在loopOnce方法中最后会调用 msg.recycleUnchecked()，如果你进行了某种自定义操作，导致 Message 未能通过正常的 Handler 流程处理，那么你可能需要手动调用 msg.recycle()。

简单概括就是：一条由Message 组成的链表，你想用Message时，就从这个链表上 掐掉一个Message来使用，这个掐掉操作就是将m.next = null，当你不再使用时 就将其放回到链表头，操作就是 next = sPool 和sPool = this。

5. 优缺点

---

优点：

1. 节省内存空间。
2. 提高性能，特别是创建和管理大量对象时。

缺点：

1. 外部状态管理可能导致系统逻辑混乱。

6. 应用场景

---

• 游戏中的角色、场景元素（如树、建筑）等。
• 文本处理系统中的字符、字体。
• 大量相似对象需要频繁创建的场景。
• …

7. 总结

---

享元模式通过共享对象来优化内存使用和性能，适合于需要创建大量相似对象的场景，但设计复杂性和状态管理需要谨慎处理。