Design Pattern: Flyweight 模式
 

2009-09-17 来源:riabook.cn

 

在 Gof 的书中指出,Flyweight的目的在于运用共享技术,使得一些细粒度的物件可以共享。

Flyweight在牛津字典中的解释是"boxer of the lightest class"。意思是特轻量级拳击手?其实应该是取"the lightest class"这部份的解释,一个特轻量级类别,这个类别所产生的物件可以共用在每一个场合(context),并依场合资讯表现物件外观。

在书中所举出的例子是文档编辑器中的字元物件,若每个字元物件会包括字元、大小、字型等等不同的资讯,想想一篇文章中可能出现多少字元,如果我们为每一个字元都使用一个物件来完整描述有关于它的讯息,那么一篇文字中将会耗用多少的记忆体?!字元本身应可以共享,而大小、字型等等不同的资讯再分别设定。

考虑数量多且性质相近的物件时,将该物件的资讯分为两个部份:内部状态(intrinsic)与外部状态(extrinsic)。以上例来说,字元属于内部状态,而大小、字型等等不同的资讯属于外部状态。

更详细一些来说明,内部状态是物件可共享的讯息部份,例如在绘制一个英文字串时,重覆的字元部份为内部状态,像是 "ABC is BAC",其中A、B、C的字元资讯部份不必直接储存于字元物件中,它是属于可以共享的部份,可以将这些可以重复使用的字元储存在Flyweight Pool中。

外部状态是物件依赖的一个场景(context),例如绘制字元时的字型资讯、位置资讯等等,绘制一个字元时,先从Flyweight Pool中找出共享的Flyweight,然后从场景中查找对应的绘制资讯(字型、大小、位置等)。

其实任何学过Java的人就一定使用过Java中运用Flyweight模式的好处,要知道,如果您在程式中使用下面的方式来宣告,则实际上是指向同一个字串物件:

String str1 = "flyweight";
String str2 = "flyweight";
System.out.println(str1 == str2);

程式的执行结果会显示True,在Java中,会维护一个String Pool,对于一些可以共享的字串物件,会先在String Pool中查找是否存在相同的String内容(字元相同),如果有就直接传回,而不是直接创造一个新的String物件,以减少记忆体的耗用。

再来个一看例子,String的intern()方法,我们来看看它的API说明的节录:

Returns a canonical representation for the string object.

A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the class String.

When the intern method is invoked, if the pool already contains a string equal to this String object as determined by the equals(Object) method, then the string from the pool is returned. Otherwise, this String object is added to the pool and a reference to this String object is returned.

这段话其实已说明了Flyweight模式的运作方式,用个实例来说明会更清楚:

  • Main.java
    public class Main { 
        public static void main(String[] args) { 
            String str1 = "fly"; 
            String str2 = "weight"; 
            String str3 = "flyweight"; 
            String str4; 
    
            str4 = str1 + str2; 
            System.out.println(str3 == str4); 
    
            str4 = (str1 + str2).intern(); 
            System.out.println(str3 == str4); 
        } 
    }

在程式中第一次比较str3与str4物件是否为同一物件时,您知道结果会是false,而intern()方法会先检查 String Pool中是否存在字元部份相同的字串物件,如果有的话就传回,由于程式中之前已经有"flyweight"字串物件,intern()在String Pool中发现了它,所以直接传回,这时再进行比较,str3与str4所指向的其实是同一物件,所以结果会是true。

Flyweight模式在传回物件时,所使用的是工厂模式,使用者并不会知道物件被创造的细节,下图是Flyweight模式的结构图:

Flyweight

之前举的例子是针对物件的内部状态所作的说明,那么字型资讯等外部的设定呢?一两个简单的外部资讯设定可以直接写死(hard code)在程式中,例如简单的使用介面字型设定。

但如果是文书处理器呢?使用者设定字型、大小等资讯会是动态的呢?Gof书中将字型资讯作为是绘制字元的外部状态,使用一个Context 物件来维护外部状态资料库,每次要绘制字元物件时,这个Context物件会被作为参数传递给字元物件,字元物件透过查找Context中的资料来获得字型资讯,从而进行正确的场景绘制。

外部状态维护与内部状态之间的对应关系,在查找时,Gof书中所使用的是BTree?结构,由于查找必须花费时间,所以这也指出了使用Flyweight 模式所必须付出的代价:以时间换取空间。如何设计外部状态的资料结构,以使得查找时间缩短,这是另一个重要的课题(不过就不是这篇文章要讨论的课题了)。

补充:关于字元(内部状态)及字型、大小(外部状态)之间的对应问题通常不太需要程式设计人员的关心,因为通常可以找的到一些现成的图型介面API,它们都设计好一些相关元件,直接使用就可以了。


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