结构型 --面试高频之享元模式

前言

享元模式是非常常用的一种结构性设计模式。

特别是在面试的时候。当我们把这一节内容掌握，我相信不管是工作中还是面试中这一块内容绝对是一大亮点。

什么是享元模式

所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。

具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。

这里值得注意的是只保留一份实例，供多人使用。

面试最常见的面试题

我相信大伙在面试的时候经常会被问到String,Integer相关的面试题。

那我们就从这两块内容开始讲解。

享元模式在Integer中的应用

我们先来看下面这样一段代码。

Integer i1 = 56;
Integer i2 = 56;
Integer i3 = 129;
Integer i4 = 129;
System.out.println(i1 == i2); //true
System.out.println(i3 == i4); //false

我相信很多人在面试的时候会遇到这种题目。答案可能会出乎我们的意料。第一个为true，第二个为false。

这正是因为 Integer，用到了享元模式来复用对象，才导致了这样的运行结果。当我们通过自动装箱，也就是调用 valueOf() 来创建 Integer 对象的时候，如果要创建的 Integer 对象的值在 -128 到 127 之间，会从 IntegerCache 类中直接返回，否则才调用 new 方法创建。看代码更加清晰一些，Integer 类的 valueOf() 函数的具体代码如下所示：

//从这里的源码我们能看到，当我们执行Integer i2 = 56;
//这行代码的时候。其实是通过自动装箱机制，调用的valueOf。
//当数据在IntegerCache.low~IntegerCache.high之间的时候，我们是直接从缓存中拿取的数据。
public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

那这个IntegerCache是什么呢？这个其实是Integer的内部类。

我们挑选重点代码来看看，源码如下：

/**
 * Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
 * -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
 *
 * The cache is initialized on first usage.  The size of the cache
 * may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.
 * During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
 * may be set and saved in the private system properties in the
 * sun.misc.VM class.
 */
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128; //缓存的最小值
    static final int high; //缓存的最大值
    static final Integer cache[];  //缓存

    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() {}
}

这个是Integer的静态内部类，当我们加载Ineger的时候该类也会被加载进去。可以看到他缓存了-128 到 127 之间的整型值。

实际上，除了 Integer 类型之外，其他包装器类型，比如 Long、Short、Byte 等，也都利用了享元模式来缓存 -128 到 127 之间的数据。比如，Long 类型对应的 LongCache 享元工厂类及 valueOf() 。

其实jdk考虑的很周到，我们大部分时间创建出来的Ineger对象，其实都是存储整型都不是特别大。所以干脆取一段大小合理的数据直接缓存下来。

举一个极端一点的例子，假设程序需要创建 1 万个 -128 到 127 之间的 Integer 对象。使用第一种创建方式，我们需要分配 1 万个 Integer 对象的内存空间；使用后两种创建方式，我们最多只需要分配 256 个 Integer 对象的内存空间。

享元模式在String中的应用

我们都知道String是被final修饰的，大家又仔细想过这其中的缘由吗？

这最大的原因就是为了实现字符串池化技术。其核心思想就是享元模式。

我们前面提到过享元对象都是不可变的。这样我们才能保证大家在共同使用的时候不会出现问题。所以String是被final修饰的。

我们再来看一下这段代码：

String s1 = "享元模式";
String s2 = "享元模式";
String s3 = new String("享元模式");

System.out.println(s1 == s2); //ture
System.out.println(s1 == s3); //false

前两个s1和s2都是指向的字符串常量池的"享元模式"。而s3指向的是堆的String。

String 类的享元模式的设计，跟 Integer 类稍微有些不同。

Integer 类中要共享的对象，是在类加载的时候，就集中一次性创建好的。

但是，对于字符串来说，我们没法事先知道要共享哪些字符串常量，所以没办法事先创建好。

只能在某个字符串常量第一次被用到的时候，存储到常量池中，当之后再用到的时候，直接引用常量池中已经存在的即可，就不需要再重新创建了

实际运用

我们想想，什么情况我们应该使用享元模式。

我总结了一下：

1. 首先这个对象在很多地方都得使用，否则就是过度设计。
2. 其次这个对象是不可变的，可以让多个线程同时使用。

我举一个具体的例子。

比如我们开发一个麻将游戏。没一局游戏是不是要new一个麻将桌，new一副麻将。假如同时在线100w人，那我们就new了25w个麻将桌和25w副麻。

我们仔细想想能不能用享元模式来优化，首先麻将桌应该是不能优化的，因为他得记录我们每一局游戏得状态，桌上麻将的情况，等等信息。但是麻将我们却可以缓存一副，让他不可变。所有人共用这一副缓存的麻将。

总结

享元模式其实开发中我们用的不是特别多，但是当需要时，却非常的有效。包括面试中关于String，基本类型的包装类关于享元模式的运用。当面试管再抛出这个问题，如果你能回答清楚并且提出其设计模式是享元模式，我相信一定会让面试官眼前一亮。