Java基础教程（215）结构型模式之享元：内存优化的艺术：深度剖析Java享元模式

享元模式核心思想

享元模式（Flyweight Pattern）的核心在于共享，它通过将对象的内部状态（Intrinsic State）与外部状态（Extrinsic State）分离，使得大量细粒度对象可以共享内部状态，从而显著减少内存使用和提高性能。

内部状态是对象可共享的部分，通常不变；而外部状态则随着场景变化，由客户端在使用时传入。这种分离使得一个享元对象实例可以在不同场景下重复使用。

模式结构解析

享元模式包含以下几个核心角色：

• Flyweight（抽象享元类）：定义对象接口，声明设置外部状态的方法
• ConcreteFlyweight（具体享元类）：实现抽象接口，存储内部状态
• FlyweightFactory（享元工厂）：创建并管理享元对象，确保合理共享
• Client（客户端）：维护外部状态，传递给享元对象使用

实战示例：游戏树木渲染系统

考虑一个游戏场景需要渲染成千上万棵树木的情况。每棵树都有类型、纹理等不变属性（内部状态），以及位置、大小等变化属性（外部状态）。

// 抽象享元类
public interface TreeType {
    void render(int x, int y, int size);
}

// 具体享元类
public class ConcreteTreeType implements TreeType {
    private final String name;
    private final Color color;
    private final String texture;

    public ConcreteTreeType(String name, Color color, String texture) {
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.texture = texture;
    }

    @Override
    public void render(int x, int y, int size) {
        System.out.println("渲染" + name + "树木在位置(" + x + "," + y + ")，大小：" + size);
    }
}

// 享元工厂
public class TreeFactory {
    private static final Map<String, TreeType> treeTypes = new HashMap<>();
    
    public static TreeType getTreeType(String name, Color color, String texture) {
        String key = name + color.toString() + texture;
        TreeType type = treeTypes.get(key);
        
        if (type == null) {
            type = new ConcreteTreeType(name, color, texture);
            treeTypes.put(key, type);
        }
        
        return type;
    }
}

// 客户端使用
public class Forest {
    private List<Tree> trees = new ArrayList<>();
    
    public void plantTree(int x, int y, int size, String name, Color color, String texture) {
        TreeType type = TreeFactory.getTreeType(name, color, texture);
        Tree tree = new Tree(x, y, size, type);
        trees.add(tree);
    }
    
    public void render() {
        for (Tree tree : trees) {
            tree.render();
        }
    }
}

通过享元模式，无论渲染多少棵相同类型的树木，内存中只存在一个对应的TreeType对象，极大减少了内存占用。

应用场景与优势

享元模式特别适用于以下场景：

• 系统需要创建大量相似对象
• 这些对象的大部分状态可以外部化
• 使用享元模式后能显著降低内存消耗

优势：

• 极大减少内存中对象数量
• 提高系统性能和处理效率

注意事项：

• 增加了系统复杂性，需要分离内部/外部状态
• 需要关注线程安全问题（特别是在享元工厂中）

享元模式是性能优化中的重要工具，在JDK中的String常量池、Integer.valueOf()等方法中都有广泛应用。正确使用享元模式可以在处理大量对象时带来显著的性能提升。