設計模式之Flyweight(享元)

Flyweight定義:
避免大量擁有相同內容的小類別的開銷(如耗費記憶體),使大家共用一個類別(元類別)。

爲什麽使用?
面向物件語言的原則就是一切都是物件,但是如果真正使用起來,有時物件數可能顯得很龐大,比如,文字處理軟體,如果以每個文字都作爲一個物件,幾千個字,物件數就是幾千,無疑耗費記憶體,那麽我們還是要"求同存異",找出這些物件群的共同點,設計一個元類別,封裝可以被共用的類別,另外,還有一些特性是取決於應用(context),是不可共用的,這也Flyweight中兩個重要概念內部狀態intrinsic和外部狀態extrinsic之分。

說白點,就是先捏一個的原始模型,然後隨著不同場合和環境,再産生各具特徵的具體模型,很顯然,在這裏需要産生不同的新物件,所以Flyweight模式中常出現Factory模式。Flyweight的內部狀態是用來共用的,Flyweight factory負責維護一個Flyweight pool(模式池)來存放內部狀態的物件。

Flyweight模式是一個提高程式效率和性能的模式,會大大加快程式的運行速度。應用場合很多:比如你要從一個資料庫中讀取一系列字串,這些字串中有許多是重復的,那麽我們可以將這些字串儲存在Flyweight池(pool)中。

如何使用?

我們先從Flyweight抽象介面開始:

public interface Flyweight
{
　　public void operation( ExtrinsicState state );
}

//用於本模式的抽象資料類型(自行設計)
public interface ExtrinsicState { }

下面是介面的具體實現(ConcreteFlyweight) ,並爲內部狀態增加記憶體空間, ConcreteFlyweight必須是可共用的,它保存的任何狀態都必須是內部(intrinsic),也就是說,ConcreteFlyweight必須和它的應用環境場合無關。

public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
　　private IntrinsicState state;
　　
　　public void operation( ExtrinsicState state )
　　{
　　　　　　//具體操作
　　}

}

當然,並不是所有的Flyweight具體實現子類別都需要被共用的,所以還有另外一種不共用的ConcreteFlyweight:

public class UnsharedConcreteFlyweight implements Flyweight {

　　public void operation( ExtrinsicState state ) { }

}

Flyweight factory負責維護一個Flyweight池(存放內部狀態),當用戶端請求一個共用Flyweight時,這個factory首先搜索池中是否已經有可適用的,如果有,factory只是簡單返回送出這個物件,否則,創建一個新的物件,加入到池中,再返回送出這個物件池

public class FlyweightFactory {
　　//Flyweight pool
　　private Hashtable flyweights = new Hashtable();

　　public Flyweight getFlyweight( Object key ) {

　　　　Flyweight flyweight = (Flyweight) flyweights.get(key);

　　　　if( flyweight == null ) {
　　　　　　//産生新的ConcreteFlyweight
　　　　　　flyweight = new ConcreteFlyweight();
　　　　　　flyweights.put( key, flyweight );
　　　　}

　　　　return flyweight;
　　}
}

至此,Flyweight模式的基本框架已經就緒,我們看看如何呼叫:

FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
Flyweight fly1 = factory.getFlyweight( "Fred" );
Flyweight fly2 = factory.getFlyweight( "Wilma" );
......

從呼叫上看,好象是個純粹的Factory使用,但奧妙就在於Factory的內部設計上。

Flyweight模式在XML等資料源中應用
我們上面已經提到,當大量從資料源中讀取字串,其中肯定有重復的,那麽我們使用Flyweight模式可以提高效率,以唱片CD爲例,在一個XML文件中,存放了多個CD的資料。

每個CD有三個欄位:
1.出片日期(year)
2.歌唱者姓名等資訊(artist)
3.唱片曲目 (title)

其中,歌唱者姓名有可能重復,也就是說,可能有同一個演唱者的多個不同時期 不同曲目的CD。我們將"歌唱者姓名"作爲可共用的ConcreteFlyweight。其他兩個欄位作爲UnsharedConcreteFlyweight。

首先看看資料源XML文件的內容:

<?xml version="1.0"?>
<collection>

<cd>
<title>Another Green World</title>
<year>1978</year>
<artist>Eno, Brian</artist>
</cd>

<cd>
<title>Greatest Hits</title>
<year>1950</year>
<artist>Holiday, Billie</artist>
</cd>

<cd>
<title>Taking Tiger Mountain (by strategy)</title>
<year>1977</year>
<artist>Eno, Brian</artist>
</cd>

.......

</collection>

雖然上面舉例CD只有3張,CD可看成是大量重復的小類別,因爲其中成分只有三個欄位,而且有重復的(歌唱者姓名)。

CD就是類似上面介面 Flyweight:

public class CD {

　　private String title;
　　private int year;
　　private Artist artist;

　　public String getTitle() {　　return title;　}
　　public int getYear() {　　　　return year;　　}
　　public Artist getArtist() {　　　　return artist;　　}

　　public void setTitle(String t){　　　　title = t;}
　　public void setYear(int y){year = y;}
　　public void setArtist(Artist a){artist = a;}

}

將"歌唱者姓名"作爲可共用的ConcreteFlyweight:

public class Artist {

　　//內部狀態
　　private String name;

　　// note that Artist is immutable.
　　String getName(){return name;}

　　Artist(String n){
　　　　name = n;
　　}

}

再看看Flyweight factory,專門用來製造上面的可共用的ConcreteFlyweight:Artist

public class ArtistFactory {

　　Hashtable pool = new Hashtable();

　　Artist getArtist(String key){

　　　　Artist result;
　　　　result = (Artist)pool.get(key);
　　　　////産生新的Artist
　　　　if(result == null) {
　　　　　　result = new Artist(key);
　　　　　　pool.put(key,result);
　　　　　　
　　　　}
　　　 return result;
　 }

}

當你有幾千張甚至更多CD時,Flyweight模式將節省更多空間,共用的flyweight越多,空間節省也就越大。