還在重復(fù)創(chuàng)建對象？快試試通過享元模式減少對象創(chuàng)建
享元模式
享元模式是一種結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式，旨在通過共享盡可能多的數(shù)據(jù)來最小化內(nèi)存使用和提高性能。在享元模式中，對象被分為內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)。內(nèi)部狀態(tài)是可以共享的，而外部狀態(tài)是根據(jù)對象的上下文而變化的。
在實(shí)現(xiàn)享元模式時，通常會創(chuàng)建一個工廠類來管理共享的對象實(shí)例，并在需要時返回已存在的實(shí)例，而不是創(chuàng)建新的實(shí)例。這樣可以減少內(nèi)存占用，并且可以提高系統(tǒng)的性能。
應(yīng)用場景
享元模式適用于需要共享大量對象、減少內(nèi)存占用、優(yōu)化性能的場景。
- 對象的數(shù)量非常大，且占用大量內(nèi)存。通過享元模式可以共享對象，減少內(nèi)存占用。
- 對象的大部分狀態(tài)可以外部狀態(tài)，而少部分狀態(tài)可以內(nèi)部狀態(tài)。通過享元模式可以將內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)分離，減少對象數(shù)量。
- 對象的狀態(tài)可以被多個對象共享。通過享元模式可以將狀態(tài)共享，減少重復(fù)創(chuàng)建對象。
- 對象的創(chuàng)建和銷毀頻繁，需要優(yōu)化性能。通過享元模式可以減少對象的創(chuàng)建和銷毀，提高性能。
場景示例
過年回家買火車票是一件很困難的事，無數(shù)人用刷票軟件向服務(wù)端發(fā)出請求，對于每一個請求服務(wù)器都必須做出應(yīng)答。在用戶設(shè)置好出發(fā)地和目的地之后，每次請求都返回一個查詢的車票結(jié)果。為了便于理解，我們假設(shè)每次返回的只有一趟列車的車票。那么當(dāng)數(shù)以萬計的人不問斷在請求數(shù)據(jù)時，如果每次都重新創(chuàng)建一個查詢的車票結(jié)果，那么必然會造成大量重復(fù)對象的創(chuàng)建、銷毀，使得 GC 任務(wù)繁重、內(nèi)存占用率高居不下。而這類問題通過享元模式就能夠得到很好地改善，從城市 A 到城市 B 的車輛是有限的，車上的鋪位也就是硬臥、硬臥、坐票 3 種。我們將這些可以公用的對象緩存起來，在用戶查詢時優(yōu)先使用緩存，如果沒有緩存則重新創(chuàng)建。這樣就將成千上萬的對象變?yōu)榱丝蛇x擇的有限數(shù)量。
首先我們創(chuàng)建一個 Ticket 接口，該接口定義展示車票信息的函數(shù):
public interface Ticket {
public void showTicketInfo(String bunk);
}它的一個具體的實(shí)現(xiàn)類是 TrainTicket 類:
class TrainTicket implements Ticket {
public String from; // 始發(fā)地
public String to; // 目的地
public String bunk; // 鋪位
public int price;
TrainTicket(String from, String to) {
this.from = from;
this.to = to;
}
@Override
public void showTicketInfo(String bunk) {
price = new Random().nextInt(300);
System.out.println("購買 從 " + from + " 到 " + to + "的 "
+ bunk + " 火車票" + ", 價格 : " + price);
}
}數(shù)據(jù)庫中表示火車票的信息有出發(fā)地、目的地、鋪位、價格等字段，在購票用戶每次查詢時如果沒有用某種緩存模式，那么返回車票數(shù)據(jù)的接口實(shí)現(xiàn)如下:
public class TicketFactory {
public static Ticket getTicket(String from, String to) {
return new TrainTicket(from, to);
}
}在 TicketFactory 的 getTicket 函數(shù)中每次會 new 一個 TrainTicket 對象，也就是說如果在短時間內(nèi)有 10000 萬用戶求購北京到杭州的車票，那么北京到杭州的車票對象就會被創(chuàng)建 10000 次，當(dāng)數(shù)據(jù)返回之后這些對象變得無用了又會被虛擬機(jī)回收。此時就會造成大量的重復(fù)對象存在內(nèi)存中，GC 對這些對象的回收也會非常消耗資源。如果用戶的請求量很大可能導(dǎo)致系統(tǒng)變得極其緩慢，甚至可能導(dǎo)致 OOM。正如上文所說，享元模式通過消息池的形式有效地減少了重復(fù)對象的存在。它通過內(nèi)部狀態(tài)標(biāo)識某個種類的對象，外部程序根據(jù)這個不會變化的內(nèi)部狀態(tài)從消息池中取出對象。使得同一類對象可以被復(fù)用，避免大量重復(fù)對象。
使用享元模式很簡單，只需要簡單地改造一下 TicketFactory，具體代碼如下:
/**
* 車票工廠,以出發(fā)地和目的地為key緩存車票
*
*/
public class TicketFactory {
static Map<String, Ticket> sTicketMap = new ConcurrentHashMap<String, Ticket>();
public static Ticket getTicket(String from, String to) {
String key = from + "-" + to;
if (sTicketMap.containsKey(key)) {
System.out.println("使用緩存 ==> " + key);
return sTicketMap.get(key);
} else {
System.out.println("創(chuàng)建對象 ==> " + key);
Ticket ticket = new TrainTicket(from, to);
sTicketMap.put(key, ticket);
return ticket;
}
}
}在 TicketFactory 中添加了一個 map 容器，并且以出發(fā)地 + "-" + 日的地為鍵、以車票對象作為值存儲車票對象。這個 map 的鍵就是我們說的內(nèi)部狀態(tài)，在這里就是出發(fā)地、橫杠、目的地拼接起來的字符串，如果沒有緩存則創(chuàng)建一個對象，并且將這個對象緩存到 map 中，下次再有這類請求時則直接從緩存中獲取。這樣即使有 10000 個請求北京到杭州的車票信息，那么出發(fā)地是北京、目的地是杭州的車票對象只有一個。這樣就從這個對象從 10000 減到了 1 個，避免了大量的內(nèi)存占用及頻繁的 GC 操作。簡單實(shí)現(xiàn)代碼如下:
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Ticket ticket01 = TicketFactory.getTicket("北京", "杭州");
ticket01.showTicketInfo("上鋪");
Ticket ticket02 = TicketFactory.getTicket("北京", "杭州");
ticket02.showTicketInfo("下鋪");
Ticket ticket03 = TicketFactory.getTicket("北京", "杭州");
ticket03.showTicketInfo("坐票");
}
}運(yùn)行輸出:
創(chuàng)建對象二=>北京-杭州
購買從北京到杭州的上鋪火車票，價格:28
使用緩存==>北京-杭州
購買從北京到杭州的下鋪火車票，價格:188
使用緩存==>北京-杭州
購買從北京到杭州的坐票火車票，價格:148從輸出結(jié)果可以看到，只有第一次查詢車票時創(chuàng)建了一次對象，后續(xù)的查詢都使用的是消息池中的對象。這其實(shí)就是相當(dāng)于一個對象緩存，避免了對象的重復(fù)創(chuàng)建與回收。在這個例子中，內(nèi)部狀態(tài)就是出發(fā)地和目的地，內(nèi)部狀態(tài)不會發(fā)生變化；外部狀態(tài)就是鋪位和價格，價格會隨著鋪位的變化而變化。
在 JDK 中 String 也是類似消息池，我們知道在 Java 中 String 是存在于常量池中。也就是說一個 String 被定義之后它就被緩存到了常量池中，當(dāng)其他地方要使用同樣的字符串時，則直接使用的是緩存，而不會重復(fù)創(chuàng)建。例如下面這段代碼。
public class Test {
public static void main(String[] args) {
testString();
}
private static void testString() {
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
String str3 = new String("abc");
String str4 = "ab" + "c";
// 使用equals只判定字符值
System.out.println(str1.equals(str2));
System.out.println(str1.equals(str3));
System.out.println(str3.equals(str2));
// 等號判等，判定兩個對象是不是同一個地址
System.out.println(str1 == str2);
System.out.println(str1 == str3);
System.out.println(str3 == str2);
System.out.println(str4 == str2);
}
}輸出:
true
true
true
false
false
false
true
