设计模式是什么鬼（享元）

//作者：凸凹里歐

元，始也，本初，根源之意，计算机中的二进制“元”其实就1和0，这两个东西组合起来有无穷无尽的可能，这便形成了计算机中的大千世界，正如“阴”和“阳”为万物之首一样，这也是为什么称其为二元。顾名思义，享元就是共享本元的意思，然而这个模式的英文叫做Flyweight，能飞起来一般的重量，轻量级的意思，“享元”其实并非意译，但这并不影响其对这个模式的最佳诠释。

我们来看一个实例，比如我们要开发一款RPG游戏，游戏地图通常非常大，而且有各种各样，有草地、沙漠、荒原，水路等等，在写代码之前，我们先思考下应该怎样去建模。

对于这种地图，我们加载一整张图片来做地图？如果地图太大，图片加载相当卡顿吧？而且大片地图上其实都是重复的图片素材，整图加载设计也有失灵活性。再仔细观察下，这地图无非就是很多小图片（元）拼起来的哦，这不就是类似于我们装修时贴马赛克嘛？

这可简单了！我们应该有个砖块类，持有“图片”，“位置”等属性信息，然后实例化这些砖块再调用其“绘制”方法把图片显示在地图某位置上即可。二话不说开始写代码。

 1 public class Tile {
 2  private String image;//地砖所用的图片材质
 3  private int x, y;//地砖所在坐标
 4  public Tile(String image, int x, int y) {
 5  this.image = image;
 6  System.out.print("从磁盘加载[" + image + "]图片，耗时半秒。。。");
 7  this.x = x;
 8  this.y = y;
 9  }
10  public void draw() {
11  System.out.println("在位置[" + x + ":" + y + "]上绘制图片：[" + image + "]");
12  }
13 }

代码看起来非常简单，第3行的地砖材质图片我们用String来模拟代替，第7行初始化时我们把图片加载到内存，比如说这个IO操作要耗费半秒时间，好了我们先测试绘制第一行砖块，运行一下。

 1 public class Client {
 2  public static void main(String[] args) {
 3  //以绘制第一行为例
 4  new Tile("河流", 10, 10).draw();
 5  new Tile("河流", 10, 20).draw();
 6  new Tile("石路", 10, 30).draw();
 7  new Tile("草坪", 10, 40).draw();
 8  new Tile("草坪", 10, 50).draw();
 9  new Tile("草坪", 10, 60).draw();
10  new Tile("草坪", 10, 70).draw();
11  new Tile("草坪", 10, 80).draw();
12  /* 运行结果
13  从磁盘加载[河流]图片，耗时半秒。。。在位置[10:10]上绘制图片：[河流]
14  从磁盘加载[河流]图片，耗时半秒。。。在位置[10:20]上绘制图片：[河流]
15  从磁盘加载[石路]图片，耗时半秒。。。在位置[10:30]上绘制图片：[石路]
16  从磁盘加载[草坪]图片，耗时半秒。。。在位置[10:40]上绘制图片：[草坪]
17  从磁盘加载[草坪]图片，耗时半秒。。。在位置[10:50]上绘制图片：[草坪]
18  从磁盘加载[草坪]图片，耗时半秒。。。在位置[10:60]上绘制图片：[草坪]
19  从磁盘加载[草坪]图片，耗时半秒。。。在位置[10:70]上绘制图片：[草坪]
20  从磁盘加载[草坪]图片，耗时半秒。。。在位置[10:80]上绘制图片：[草坪]
21  */
22  }
23 }

有没有发现问题？每加载一张图都要耗费掉半秒钟，才画了8张地砖图就4秒钟流逝了，如果构建整张地图得多少时间？这就像是在慢性自杀，如此效率严重影响了游戏的用户体验，光卡顿在地图加载这给漫长的过程就已经让玩家失去兴趣了。

相信大家一定想到了《设计模式是什么鬼（原型）》模式吧？对，我们把相同的图共享出来，用克隆的方式代替物件图实例化的过程，从而加快初始化速度。再想想，共享元貌似没什么问题，速度也加快了，但对象数量貌似还是个严重问题，每一个小物件图都要对应一个对象，这么个小游戏用得着那么大的内存开销么，搞不好甚至会造成内存溢出，嗯，设计模式一定还是有问题。

沿着共享的思路我们再看下到底需不需要这么多对象？这些对象不同的地方在于其坐标的不同，再就是材质的不同，也就是图的不同了，能不能从这些对象里抽取出来一些共同点呢？首先每个图的坐标都不一样，是没办法共享的，但是材质图是重复出现的，是可以共享的，同样的材质图会在不同的坐标位置上重复出现，那么这个材质图是可以做成共享元的。

既然坐标不能共享，那就不做为材质类的共享元属性，由客户端维护这些坐标并作为参数传入好了，而且这些材质都有绘制能力，那就先定义一个接口吧。

1 public interface Drawable {
2 
3 void draw(int x, int y);//绘制方法，接收地图坐标。
4 
5 }

当然，我们也可以用抽象类抽出更多的属性和方法代替接口，使子类变得简单，这里为了清晰说明问题就用接口。接下来是材质类们，统统实现这个绘制接口。

 1 public class Water implements Drawable {
 2 
 3 private String image;//河流图片材质
 4 
 5 public Water() {
 6 
 7 this.image = "河流";
 8 
 9 System.out.print("从磁盘加载[" + image + "]图片，耗时半秒。。。");
10 
11 }
12 
13 @Override
14 
15 public void draw(int x, int y) {
16 
17 System.out.println("在位置[" + x + ":" + y + "]上绘制图片：[" + image + "]");
18 
19 }
20 
21 }

注意第6行因为是河流材质类，所以初始化我们直接加载河流图片素材，这就是类内部即将做共享的“元”数据了，也叫做“内蕴状态”，至于“外蕴状态”就是坐标了，只作为参数从外部传入不做共享。接下来是草地、石子路等等。

 1 public class Grass implements Drawable {
 2  private String image;//草坪图片材质
 3  public Grass() {
 4  this.image = "草坪";
 5  System.out.print("从磁盘加载[" + image + "]图片，耗时半秒。。。");
 6  }
 7  @Override
 8  public void draw(int x, int y) {
 9  System.out.println("在位置[" + x + ":" + y + "]上绘制图片：[" + image + "]");
10  }
11 }

 1 public class Stone implements Drawable {
 2  private String image;//石路图片材质
 3  public Stone() {
 4  this.image = "石路";
 5  System.out.print("从磁盘加载[" + image + "]图片，耗时半秒。。。");
 6  }
 7  @Override
 8  public void draw(int x, int y) {
 9  System.out.println("在位置[" + x + ":" + y + "]上绘制图片：[" + image + "]");
10  }
11 }

 1 public class House implements Drawable {
 2  private String image;//房子图片材质
 3  public House() {
 4  this.image = "房子";
 5  System.out.print("从磁盘加载[" + image + "]图片，耗时一秒。。。");
 6  }
 7  @Override
 8  public void draw(int x, int y) {
 9  System.out.println("将图层切到最上层。。。");//房子盖在地上，所以切换到顶层图层。
10  System.out.println("在位置[" + x + ":" + y + "]上绘制图片：[" + image + "]");
11  }
12 }

注意上面这个的房子类有所不同，它有自己特有的绘制行为方法，也就是在地板图层之上绘制房子，覆盖掉下面的地板，使其变得更加立体。这也就是为什么我们非要用接口或抽象类来做引用，使实现类可以有自己独特的行为方式，多态的好处立竿见影。接下来就是实现“元之共享”的关键了，我们来做一个简单工厂类，看代码。

 1  public class Factory {//图件工厂
 2  private Map<String, Drawable> images;//图库
 3  public Factory() {
 4  images = new HashMap<String, Drawable>();
 5  }
 6  public Drawable getDrawable(String image) {
 7  //缓存里如果没有图件，则实例化并放入缓存。
 8  if(!images.containsKey(image)){
 9  switch (image) {
10  case "河流":
11  images.put(image, new Water());
12  break;
13  case "草坪":
14  images.put(image, new Grass());
15  break;
16  case "石路":
17  images.put(image, new Stone());
18  }
19  }
20  //缓存里必然有图，直接取得并返回。
21  return images.get(image);
22  }
23 }

这个图件工厂维护着所有元对象的图库，构造方法于第5行会初始化一个哈希图的缓存”池“，当客户端于第8行需要实例化图件的时候，我们先观察这个图库池里存在不存在已实例化过的图件，也就是看有无已做共享的图元，如果没有则实例化并加入图库共享池供下次使用，这便是”元之共享“的秘密了。巧夺天工的设计一气呵成，已经迫不及待去运行了。

 1 public class Client {
 2  public static void main(String[] args) {
 3  //先实例化图件工厂
 4  Factory factory = new Factory();
 5  //以第一行为例
 6  factory.getDrawable("河流").draw(10, 10);
 7  factory.getDrawable("河流").draw(10, 20);
 8  factory.getDrawable("石路").draw(10, 30);
 9  factory.getDrawable("草坪").draw(10, 40);
10  factory.getDrawable("草坪").draw(10, 50);
11  factory.getDrawable("草坪").draw(10, 60);
12  factory.getDrawable("草坪").draw(10, 70);
13  factory.getDrawable("草坪").draw(10, 80);
14  /*运行结果
15  从磁盘加载[河流]图片，耗时半秒。。。在位置[10:10]上绘制图片：[河流]
16  在位置[10:20]上绘制图片：[河流]
17  从磁盘加载[石路]图片，耗时半秒。。。在位置[10:30]上绘制图片：[石路]
18  从磁盘加载[草坪]图片，耗时半秒。。。在位置[10:40]上绘制图片：[草坪]
19  在位置[10:50]上绘制图片：[草坪]
20  在位置[10:60]上绘制图片：[草坪]
21  在位置[10:70]上绘制图片：[草坪]
22  在位置[10:80]上绘制图片：[草坪]
23  */
24  }
25 }

可以看到，我们抛弃了利用new关键字肆意妄为地制造对象，而是改用这个图件工厂去帮我们把元构建并共享起来。显而易见，我们看到运行结果中每次实例化对象会耗费半秒时间，再次请求对象时就不再会加载图片耗费时间了，也就是从共享图池直接拿到了，不再造次。更妙的是，如果画完整个地图只需要实例化需要用到的某些元素材而已，即使是那个大房子图件也只需要实例化一次就够了。至此，CPU速度，内存轻量化同时做到了优化，整个游戏用户体验得到了极大的提升。

享元的精髓当然重点不止于”享“，更重要的是对于元的辨识，例如那个从外部客户端传入的坐标参数，如果我们依然把坐标也当作共享对象元数据（内蕴状态）的话，那么这个结构将无元可享，大量的对象就如同世界上没有相同的两片树叶一样多不胜数，最终会导致图库池被撑爆，享元将变得毫无意义。所以，对于整个系统数据结构的分析、设计、规划显得尤为重要。

内外相济，里应外合，以不变应万变的化繁为简，元，万变不离其宗，享之。