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享元模式深度解析：从原理到实战，看Java如何优雅节省内存

前言

在当今互联网高并发场景下，系统性能优化已成为每个开发者必须面对的挑战。你是否遇到过这样的问题：创建大量相似对象导致内存暴涨？频繁创建销毁对象引发GC频繁？今天，我们将深入探讨一个经典而强大的设计模式——享元模式（Flyweight Pattern），看它如何在JDK源码、各大开源框架中大显身手，帮助我们优雅地解决这些难题。

一、什么是享元模式？

1.1 核心概念

享元模式是一种结构型设计模式，其核心思想是：通过共享技术有效支持大量细粒度对象的复用。简单来说，就是将对象的状态分为内部状态和外部状态：

内部状态（Intrinsic State）：存储在享元对象内部，不会随环境改变而改变，可以共享 外部状态（Extrinsic State）：随环境改变而改变，不可共享，由客户端保存并在需要时传入

1.2 适用场景

享元模式特别适合以下场景：

系统中存在大量相似对象，这些对象占用大量内存 对象的大部分状态可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中 使用享元模式需要维护一个享元池，且这种额外开销能被节省的内存抵消 需要缓冲池的场景，如数据库连接池、线程池等

1.3 模式结构

享元模式主要包含以下角色：

Flyweight（抽象享元）：定义享元对象的接口，通过该接口可以接受并作用于外部状态 ConcreteFlyweight（具体享元）：实现抽象享元接口，为内部状态增加存储空间 UnsharedConcreteFlyweight（非共享享元）：不需要共享的享元子类 FlyweightFactory（享元工厂）：负责创建和管理享元对象，确保合理地共享享元

二、经典案例：五子棋游戏中的棋子管理

2.1 问题场景

想象一个五子棋游戏，棋盘有15×15=225个位置，每个位置可能放置黑棋或白棋。如果为每个棋子都创建一个对象，内存消耗巨大。但实际上，所有黑棋的颜色、形状都相同，只有位置不同。

2.2 代码实现

// 抽象享元：棋子接口 public interface ChessPiece { void display(int x, int y); } // 具体享元：具体棋子 public class ConcreteChessPiece implements ChessPiece { private String color; // 内部状态：颜色 private String shape; // 内部状态：形状 public ConcreteChessPiece(String color) { this.color = color; this.shape = "圆形"; System.out.println("创建了一个" + color + "棋子对象"); } @Override public void display(int x, int y) { System.out.println("在位置[" + x + "," + y + "]放置" + color + shape + "棋子"); } } // 享元工厂 public class ChessPieceFactory { private static final Map<String, ChessPiece> pool = new HashMap<>(); public static ChessPiece getChessPiece(String color) { ChessPiece piece = pool.get(color); if (piece == null) { piece = new ConcreteChessPiece(color); pool.put(color, piece); } return piece; } public static int getTotalPieces() { return pool.size(); } } // 客户端测试 public class ChessGame { public static void main(String[] args) { // 放置10个棋子 ChessPiece black1 = ChessPieceFactory.getChessPiece("黑色"); black1.display(1, 1); ChessPiece white1 = ChessPieceFactory.getChessPiece("白色"); white1.display(1, 2); ChessPiece black2 = ChessPieceFactory.getChessPiece("黑色"); black2.display(2, 1); ChessPiece white2 = ChessPieceFactory.getChessPiece("白色"); white2.display(2, 2); System.out.println("\n实际创建的棋子对象数量：" + ChessPieceFactory.getTotalPieces()); System.out.println("black1 == black2: " + (black1 == black2)); // true } }

输出结果：

创建了一个黑色棋子对象 在位置[1,1]放置黑色圆形棋子 创建了一个白色棋子对象 在位置[1,2]放置白色圆形棋子 在位置[2,1]放置黑色圆形棋子 在位置[2,2]放置白色圆形棋子 实际创建的棋子对象数量：2 black1 == black2: true

三、JDK中的享元模式应用

3.1 String常量池

Java的String常量池是享元模式的典型应用。当我们使用字符串字面量时，JVM会自动将其放入常量池中实现共享。

public class StringPoolExample { public static void main(String[] args) { // 字符串字面量，存储在常量池中 String s1 = "Hello"; String s2 = "Hello"; String s3 = "Hello"; // 使用new关键字，创建新对象 String s4 = new String("Hello"); // 手动调用intern()，将字符串加入常量池 String s5 = s4.intern(); System.out.println("s1 == s2: " + (s1 == s2)); // true System.out.println("s1 == s3: " + (s1 == s3)); // true System.out.println("s1 == s4: " + (s1 == s4)); // false System.out.println("s1 == s5: " + (s1 == s5)); // true // 查看对象地址 System.out.println("\n对象地址："); System.out.println("s1: " + System.identityHashCode(s1)); System.out.println("s2: " + System.identityHashCode(s2)); System.out.println("s4: " + System.identityHashCode(s4)); } }

四、生产级应用：数据库连接池

4.1 为什么需要连接池？

数据库连接是一种重量级资源，创建和销毁连接的开销非常大：

• TCP三次握手建立连接：耗时10-50ms
• 数据库认证过程：耗时5-20ms
• 资源分配（内存、文件描述符等）

如果每次数据库操作都创建新连接，在高并发场景下系统性能将严重下降。

4.2 简化版连接池实现

// 数据库连接（享元对象） public class DatabaseConnection { private String connectionId; private boolean inUse; public DatabaseConnection(String id) { this.connectionId = id; this.inUse = false; // 模拟创建连接的耗时操作 try { Thread.sleep(100); System.out.println("创建数据库连接：" + id); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public void executeQuery(String sql) { System.out.println("[" + connectionId + "] 执行SQL: " + sql); } public boolean isInUse() { return inUse; } public void setInUse(boolean inUse) { this.inUse = inUse; } public String getConnectionId() { return connectionId; } } // 连接池工厂（享元工厂） public class ConnectionPool { private static final int POOL_SIZE = 5; private List<DatabaseConnection> connections = new ArrayList<>(); public ConnectionPool() { // 初始化连接池 for (int i = 0; i < POOL_SIZE; i++) { connections.add(new DatabaseConnection("CONN-" + (i + 1))); } } public synchronized DatabaseConnection getConnection() { for (DatabaseConnection conn : connections) { if (!conn.isInUse()) { conn.setInUse(true); System.out.println("从连接池获取连接：" + conn.getConnectionId()); return conn; } } System.out.println("连接池已满，等待中..."); return null; } public synchronized void releaseConnection(DatabaseConnection conn) { conn.setInUse(false); System.out.println("释放连接回连接池：" + conn.getConnectionId()); } public int getAvailableCount() { return (int) connections.stream().filter(c -> !c.isInUse()).count(); } } // 测试类 public class ConnectionPoolTest { public static void main(String[] args) { long startTime = System.currentTimeMillis(); ConnectionPool pool = new ConnectionPool(); long initTime = System.currentTimeMillis() - startTime; System.out.println("连接池初始化耗时：" + initTime + "ms\n"); // 模拟10次数据库操作 for (int i = 0; i < 10; i++) { DatabaseConnection conn = pool.getConnection(); if (conn != null) { conn.executeQuery("SELECT * FROM users WHERE id = " + i); pool.releaseConnection(conn); } } System.out.println("\n可用连接数：" + pool.getAvailableCount()); } }

4.3 对比：使用vs不使用连接池

五、开源框架中的享元模式

5.1 Apache Commons Pool

Apache Commons Pool是一个通用的对象池化框架，广泛应用于各种池化场景。

import org.apache.commons.pool2.BasePooledObjectFactory; import org.apache.commons.pool2.PooledObject; import org.apache.commons.pool2.impl.DefaultPooledObject; import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool; import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig; // 定义可池化的对象 class ExpensiveObject { private String id; public ExpensiveObject(String id) { this.id = id; // 模拟耗时的创建过程 try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public void doWork(String task) { System.out.println("[" + id + "] 执行任务: " + task); } public String getId() { return id; } } // 对象工厂 class ExpensiveObjectFactory extends BasePooledObjectFactory<ExpensiveObject> { private int counter = 0; @Override public ExpensiveObject create() { return new ExpensiveObject("OBJ-" + (++counter)); } @Override public PooledObject<ExpensiveObject> wrap(ExpensiveObject obj) { return new DefaultPooledObject<>(obj); } @Override public void destroyObject(PooledObject<ExpensiveObject> p) { System.out.println("销毁对象: " + p.getObject().getId()); } } // 使用示例 public class CommonsPoolExample { public static void main(String[] args) throws Exception { // 配置对象池 GenericObjectPoolConfig<ExpensiveObject> config = new GenericObjectPoolConfig<>(); config.setMaxTotal(5); // 最大对象数 config.setMaxIdle(3); // 最大空闲对象数 config.setMinIdle(1); // 最小空闲对象数 // 创建对象池 GenericObjectPool<ExpensiveObject> pool = new GenericObjectPool<>(new ExpensiveObjectFactory(), config); // 使用对象池 for (int i = 0; i < 10; i++) { ExpensiveObject obj = pool.borrowObject(); obj.doWork("任务-" + i); pool.returnObject(obj); } System.out.println("\n池化统计："); System.out.println("创建对象数：" + pool.getCreatedCount()); System.out.println("当前活跃对象数：" + pool.getNumActive()); System.out.println("当前空闲对象数：" + pool.getNumIdle()); pool.close(); } }

5.2 线程池（ThreadPoolExecutor）

Java的线程池也是享元模式的典型应用，通过复用线程避免频繁创建销毁的开销。

import java.util.concurrent.*; public class ThreadPoolExample { public static void main(String[] args) { // 创建固定大小的线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 提交10个任务 for (int i = 0; i < 10; i++) { final int taskId = i; executor.submit(() -> { System.out.println("任务 " + taskId + " 由线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 执行"); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); } executor.shutdown(); } }

六、享元模式的优缺点

6.1 优点

1.大幅减少对象创建数量，降低内存占用 2.提高系统性能，避免频繁GC 3.提高对象复用率，减少创建销毁开销 4.外部状态独立，不会影响内部状态

6.2 缺点

1.增加系统复杂度，需要分离内部和外部状态 2.读取外部状态的开销，可能抵消部分性能提升 3.线程安全问题，共享对象需要考虑并发访问 4.不适合状态经常变化的对象

七、最佳实践

7.1 何时使用享元模式？

1.对象数量巨大：系统中存在大量相似对象 2.内存压力大：对象占用内存导致频繁GC 3.对象可共享：大部分状态可以外部化 4.创建开销大：对象创建消耗大量资源

7.2 实现要点

public class FlyweightBestPractice { // 1. 使用线程安全的容器 private static final ConcurrentHashMap<String, Object> pool = new ConcurrentHashMap<>(); // 2. 使用双重检查锁确保线程安全 public static Object getFlyweight(String key) { Object obj = pool.get(key); if (obj == null) { synchronized (pool) { obj = pool.get(key); if (obj == null) { obj = createObject(key); pool.put(key, obj); } } } return obj; } // 3. 设置池的大小上限 private static final int MAX_POOL_SIZE = 100; public static Object getFlyweightWithLimit(String key) { if (pool.size() >= MAX_POOL_SIZE) { // 可以使用LRU策略移除最少使用的对象 return createObject(key); } return getFlyweight(key); } // 4. 提供清理机制 public static void clear() { pool.clear(); } private static Object createObject(String key) { return new Object(); } }

7.3 与其他模式的协作

1.与工厂模式结合：享元工厂负责创建和管理享元对象 2.与单例模式结合：享元工厂通常设计为单例 3.与状态模式结合：享元对象的状态变化可以用状态模式管理 4.与组合模式结合：可以将享元对象组合成更复杂的结构

八、性能对比实验

8.1 内存对比测试

public class MemoryComparisonTest { static class HeavyObject { private byte[] data = new byte[1024]; // 1KB private String type; public HeavyObject(String type) { this.type = type; } } public static void main(String[] args) { Runtime runtime = Runtime.getRuntime(); // 测试1：不使用享元模式 System.out.println("=== 不使用享元模式 ==="); long memBefore1 = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory(); List<HeavyObject> list1 = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 10000; i++) { list1.add(new HeavyObject(i % 10 == 0 ? "TypeA" : "TypeB")); } long memAfter1 = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory(); System.out.println("创建对象数：10000"); System.out.println("内存占用：" + (memAfter1 - memBefore1) / 1024 + " KB\n"); // 测试2：使用享元模式 System.out.println("=== 使用享元模式 ==="); Map<String, HeavyObject> pool = new HashMap<>(); pool.put("TypeA", new HeavyObject("TypeA")); pool.put("TypeB", new HeavyObject("TypeB")); long memBefore2 = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory(); List<HeavyObject> list2 = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 10000; i++) { String type = i % 10 == 0 ? "TypeA" : "TypeB"; list2.add(pool.get(type)); } long memAfter2 = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory(); System.out.println("创建对象数：2"); System.out.println("内存占用：" + (memAfter2 - memBefore2) / 1024 + " KB"); System.out.println("\n内存节省：" + ((memAfter1 - memBefore1 - (memAfter2 - memBefore2)) * 100 / (memAfter1 - memBefore1)) + "%"); } }

九、总结

享元模式是一个强大的性能优化工具，通过对象共享实现内存和性能的双重优化。在实际开发中，我们已经在使用它：

1. JDK自带：String常量池、包装类缓存池
2. 数据库领域：连接池（HikariCP、Druid）
3. 并发编程：线程池（ThreadPoolExecutor）
4. 缓存框架：Redis连接池、对象池。