缓存所用的设计模式

爱被打了一巴掌 2022-08-14 02:54 190阅读 0赞

##### 缓存 #####

简单的讲，**缓存**就是将默写资源或者数据会频繁会被使用到的数据或者资源存储在系统外，比如数据库、

硬盘文件等，那么每次操作这些数据的时候都从数据库或者硬盘上去获取，速度会很慢，会造成性能问题。

一个简单的解决方法就是：把这些数据缓存到内存里面，每次操作的时候，先到内存里面找，看有没有这

些数据，如果有，那么就直接使用，如果没有那么就获取它，并设置到缓存中，下一次访问的时候就可以

直接从内存中获取了。从而节省大量的时间，当然，缓存是一种典型的空间换时间的方案。，在Java中最

常见的一种实现缓存的方式就是使用Map。

缓存的实现基本步骤是：

（1）先到缓存里面查找所要查找的想用数据，看看是否存在需要使用的数据  
（2）如果没有找到，那么就创建一个满足要求的数据，然后把这个数据设置回到缓存中，以备下次使用

（3）如果找到了相应的数据，或者是创建了相应的数据，那就直接使用这个数据。

这里只是缓存的基本实现，还有很多功能都没有考虑，比如缓存的清除，缓存的同步等等。当然，Java的  
缓存还有很多实现方式，也是非常复杂的，现在有很多专业的缓存框架，更多缓存的知识，这里就不再去

讨论了。

在Hibernate有两个级别的缓存．一个是Session级别的缓存，它是第一级别缓存属于进程范围内的缓存，

由Hibernate自行管理一般情况下无需进行干预．另一个是SessionFactory级别的缓存，它是第二级别的

缓存属于集群范围与进程范围的缓存．它可以自己进行配置与更改，而且可以动态加载与卸载，曾经有

记者问Hibernate之父Gavin King，说在hibernate中什么是让他最骄傲的开发，Gavin King就说最重要的

就是其中用到的缓存技术，可想而知，缓存技术的重要性。

缓存技术虽好，但缓存技术在Web应用中**依然存在相应的问题**，那就是**缓存数据存放时间问题**，在Web应用中，

比如说登录人员的相关权限的问题，大多数是放在session中进行缓存的，但session超时时，就会被清除掉；当然了，

如果不是在Web应用中，就得自己来控制了，另外就算是在Web应用中，也不一定非要缓存到session超时才清楚，

总之，控制缓存数据应该被缓存多长时间，是实现高效缓存的一个问题点。

另一个问题，**缓存数据和真实数据的同步问题**，缓存中的数据在运行期间会发生变化，那么缓存中的数据就应该和

数据库中的数据同步，以保持一致，否则就会出错，如何合理的同步数据，也是实现高效缓存的另一个问题点。

最后，就是**缓存的多线程并发的控制**，对于缓存的数据，有些操作是从缓存中取数据，有些操作时想缓存中添加数

据，有些操作是在清除过期的缓存数据等等，而在一个多线程的环境下，如何合理的进行对缓存进行并发控制，也是

实现缓存的一个问题点。

这里就牵涉到一个设计模式使用的问题，那就是：**享元设计模式**，此设计模式的**重点就在于分离变与不变**，把一个

对象的状态分成内部状态和外部状态，内部状态是不变的，而外部状态是可变的，然后通过共享不变的部分，达到减

少对象数量并节约内存的目的，还有一点就是，在享元需要的时候，可以从外部传入外部状态给共享的对象，共享对

象会在功能处理的时候，使用自己内部的状态和这些外部的状态。

还有，在享元模式中，为了创建和管理共享的享元部分，可以引入享元工厂，享元工厂中包含享元对象的实例池，享

元对象就是缓存在这个实例池中的。

![1350387870_7118.JPG][]

曾经请教过，有人说在实际的工业级的实例池的实现中有两个基本的难点：一个是动态控制实例的数量，另一个就是

动态分配实例来提供给外部使用，但这些实现需要相应算法来做保证。

##### 使用场景 #####

1、当我们发现某个类型的对象有大量的实例时，我们是否可以对这些实例进行分类，经过分类后，我们发现只有很少的类别的情况下。

2、我们发现通过使用享元模式后能够提高系统的性能和不会带来更多的复杂度时。

享元模式一般是给出本地内存资源节省的一个方案，并不适合互联网上的分布式应用的情况，不过享元模式对于排他性的要求资源的控制，是个不

错的选择的。

Sunny软件公司开发人员通过对围棋软件进行分析，发现在围棋棋盘中包含大量的黑子和白子，它们的形状、大小都一模一样，只是出现的位置不同而已。如果将每一个棋子都作为一个独立的对象存储在内存中，将导致该围棋软件在运行时所需内存空间较大，如何降低运行代价、提高系统性能是Sunny公司开发人员需要解决的一个问题。为了解决这个问题，Sunny公司开发人员决定使用享元模式来设计该围棋软件的棋子对象，那么享元模式是如何实现节约内存进而提高系统性能的呢？别着急，下面让我们正式进入享元模式的学习。

## 享元模式概述 ##

当一个软件系统在运行时产生的对象数量太多，将导致运行代价过高，带来系统性能下降等问题。例如在一个文本字符串中存在很多重复的字符，如果每一个字符都用一个单独的对象来表示，将会占用较多的内存空间，那么我们如何去避免系统中出现大量相同或相似的对象，同时又不影响客户端程序通过面向对象的方式对这些对象进行操作？享元模式正为解决这一类问题而诞生。享元模式通过共享技术实现相同或相似对象的重用，在逻辑上每一个出现的字符都有一个对象与之对应，然而在物理上它们却共享同一个享元对象，这个对象可以出现在一个字符串的不同地方，相同的字符对象都指向同一个实例，在享元模式中，存储这些共享实例对象的地方称为享元池(Flyweight Pool)。我们可以针对每一个不同的字符创建一个享元对象，将其放在享元池中，需要时再从享元池取出。如图14-2所示：

![1339770315_9635.jpg][]

图14-2 字符享元对象示意图

享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用，享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态(Intrinsic State)和外部状态(Extrinsic State)。下面将对享元的内部状态和外部状态进行简单的介绍：

(1)  内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态，内部状态可以共享。如字符的内容，不会随外部环境的变化而变化，无论在任何环境下字符“a”始终是“a”，都不会变成“b”。

(2)  外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。享元对象的外部状态通常由客户端保存，并在享元对象被创建之后，需要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。如字符的颜色，可以在不同的地方有不同的颜色，例如有的“a”是红色的，有的“a”是绿色的，字符的大小也是如此，有的“a”是五号字，有的“a”是四号字。而且字符的颜色和大小是两个独立的外部状态，它们可以独立变化，相互之间没有影响，客户端可以在使用时将外部状态注入享元对象中。

正因为区分了内部状态和外部状态，我们可以将具有相同内部状态的对象存储在享元池中，享元池中的对象是可以实现共享的，需要的时候就将对象从享元池中取出，实现对象的复用。通过向取出的对象注入不同的外部状态，可以得到一系列相似的对象，而这些对象在内存中实际上只存储一份。

享元模式定义如下：

享元模式结构较为复杂，一般结合工厂模式一起使用，在它的结构图中包含了一个享元工厂类，其结构图如图14-3所示：

![1339770628_5970.jpg][]

图14-3 享元模式结构图

在享元模式结构图中包含如下几个角色：

● Flyweight（抽象享元类）：通常是一个接口或抽象类，在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法，这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同时也可以通过这些方法来设置外部数据（外部状态）。

● ConcreteFlyweight（具体享元类）：它实现了抽象享元类，其实例称为享元对象；在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类，为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。

● UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元类）：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类；当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。

● FlyweightFactory（享元工厂类）：享元工厂类用于创建并管理享元对象，它针对抽象享元类编程，将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中，享元池一般设计为一个存储“键值对”的集合（也可以是其他类型的集合），可以结合工厂模式进行设计；当用户请求一个具体享元对象时，享元工厂提供一个存储在享元池中已创建的实例或者创建一个新的实例（如果不存在的话），返回新创建的实例并将其存储在享元池中。

在享元模式中引入了享元工厂类，享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池，当用户需要对象时，首先从享元池中获取，如果享元池中不存在，则创建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。典型的享元工厂类的代码如下：

<table style="font-size:14px;margin:0px;padding:0px;border-spacing:0px;max-width:850px;border:1px solid #C0C0C0;color:rgb(51,51,51);background-color:rgb(255,255,255);"> 
 <tbody style="margin:0px;padding:0px;"> 
 <tr style="margin:0px;padding:0px;"> 
 <td style="margin:0px;padding:3px;border-color:#C0C0C0;border-collapse:collapse;">class FlyweightFactory { &nbsp;&nbsp;&nbsp; //定义一个HashMap用于存储享元对象，实现享元池&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; private HashMap flyweights = newHashMap();&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; public Flyweight getFlyweight(String key){ &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; //如果对象存在，则直接从享元池获取&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; if(flyweights.containsKey(key)){ &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; return(Flyweight)flyweights.get(key);&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; }&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; //如果对象不存在，先创建一个新的对象添加到享元池中，然后返回&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; else { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Flyweight fw = newConcreteFlyweight();&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; flyweights.put(key,fw);&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; return fw;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; }&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; }}</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

享元类的设计是享元模式的要点之一，在享元类中要将内部状态和外部状态分开处理，通常将内部状态作为享元类的成员变量，而外部状态通过注入的方式添加到享元类中。典型的享元类代码如下所示：

## 完整解决方案 ##

为了节约存储空间，提高系统性能，Sunny公司开发人员使用享元模式来设计围棋软件中的棋子，其基本结构如图14-4所示：

![1339771744_6390.jpg][]

图14-4 围棋棋子结构图

在图14-4中，IgoChessman充当抽象享元类，BlackIgoChessman和WhiteIgoChessman充当具体享元类，IgoChessmanFactory充当享元工厂类。完整代码如下所示：

![复制代码][copycode.gif]

import java.util.*; //围棋棋子类：抽象享元类 
    abstract class IgoChessman { public abstract String getColor(); public void display() { System.out.println("棋子颜色：" + this.getColor()); } } //黑色棋子类：具体享元类 
    class BlackIgoChessman extends IgoChessman { public String getColor() { return "黑色"; } } //白色棋子类：具体享元类 
    class WhiteIgoChessman extends IgoChessman { public String getColor() { return "白色"; } } //围棋棋子工厂类：享元工厂类，使用单例模式进行设计 
    class IgoChessmanFactory { private static IgoChessmanFactory instance = new IgoChessmanFactory(); private static Hashtable ht; //使用Hashtable来存储享元对象，充当享元池 
          
        private IgoChessmanFactory() { ht = new Hashtable(); IgoChessman black,white; black = new BlackIgoChessman(); ht.put("b",black); white = new WhiteIgoChessman(); ht.put("w",white); } //返回享元工厂类的唯一实例 
        public static IgoChessmanFactory getInstance() { return instance; } //通过key来获取存储在Hashtable中的享元对象 
        public static IgoChessman getIgoChessman(String color) { return (IgoChessman)ht.get(color); } }

![复制代码][copycode.gif]

编写如下客户端[测试][Link 1]代码：

![复制代码][copycode.gif]

class Client { public static void main(String args[]) { IgoChessman black1,black2,black3,white1,white2; IgoChessmanFactory factory; //获取享元工厂对象 
            factory = IgoChessmanFactory.getInstance(); //通过享元工厂获取三颗黑子 
            black1 = factory.getIgoChessman("b"); black2 = factory.getIgoChessman("b"); black3 = factory.getIgoChessman("b"); System.out.println("判断两颗黑子是否相同：" + (black1==black2)); //通过享元工厂获取两颗白子 
            white1 = factory.getIgoChessman("w"); white2 = factory.getIgoChessman("w"); System.out.println("判断两颗白子是否相同：" + (white1==white2)); //显示棋子 
     black1.display(); black2.display(); black3.display(); white1.display(); white2.display(); } }

![复制代码][copycode.gif]

编译并运行程序，输出结果如下：

从输出结果可以看出，虽然我们获取了三个黑子对象和两个白子对象，但是它们的内存地址相同，也就是说，它们实际上是同一个对象。在实现享元工厂类时我们使用了单例模式和简单工厂模式，确保了享元工厂对象的唯一性，并提供工厂方法来向客户端返回享元对象。

## 带外部状态的解决方案 ##

Sunny软件公司开发人员通过对围棋棋子进行进一步分析，发现虽然黑色棋子和白色棋子可以共享，但是它们将显示在棋盘的不同位置，如何让相同的黑子或者白子能够多次重复显示且位于一个棋盘的不同地方？解决方法就是将棋子的位置定义为棋子的一个外部状态，在需要时再进行设置。因此，我们在图14-4中增加了一个新的类Coordinates（坐标类），用于存储每一个棋子的位置，修改之后的结构图如图14-5所示：

![1339772313_4533.jpg][]

图14-5 引入外部状态之后的围棋棋子结构图

在图14-5中，除了增加一个坐标类Coordinates以外，抽象享元类IgoChessman中的display()方法也将对应增加一个Coordinates类型的参数，用于在显示棋子时指定其坐标，Coordinates类和修改之后的IgoChessman类的代码如下所示：

![复制代码][copycode.gif]

class Coordinates { private int x; private int y; public Coordinates(int x,int y) { this.x = x; this.y = y; } public int getX() { return this.x; } public void setX(int x) { this.x = x; } public int getY() { return this.y; } public void setY(int y) { this.y = y; } } //围棋棋子类：抽象享元类 
    abstract class IgoChessman { public abstract String getColor(); public void display(Coordinates coord){ System.out.println("棋子颜色：" + this.getColor() + "，棋子位置：" + coord.getX() + "，" + coord.getY() ); } }

![复制代码][copycode.gif]

客户端[测试][Link 1]代码修改如下：

![复制代码][copycode.gif]

class Client { public static void main(String args[]) { IgoChessman black1,black2,black3,white1,white2; IgoChessmanFactory factory; //获取享元工厂对象 
            factory = IgoChessmanFactory.getInstance(); //通过享元工厂获取三颗黑子 
            black1 = factory.getIgoChessman("b"); black2 = factory.getIgoChessman("b"); black3 = factory.getIgoChessman("b"); System.out.println("判断两颗黑子是否相同：" + (black1==black2)); //通过享元工厂获取两颗白子 
            white1 = factory.getIgoChessman("w"); white2 = factory.getIgoChessman("w"); System.out.println("判断两颗白子是否相同：" + (white1==white2)); //显示棋子，同时设置棋子的坐标位置 
            black1.display(new Coordinates(1,2)); black2.display(new Coordinates(3,4)); black3.display(new Coordinates(1,3)); white1.display(new Coordinates(2,5)); white2.display(new Coordinates(2,4)); } }

![复制代码][copycode.gif]

编译并运行程序，输出结果如下：

从输出结果可以看到，在每次调用display()方法时，都设置了不同的外部状态——坐标值，因此相同的棋子对象虽然具有相同的颜色，但是它们的坐标值不同，将显示在棋盘的不同位置。

##### 总结 #####

享元模式的作用在于节省内存开销，对于系统内存在的大量相似的对象，通过享元的设计方式，可以提取出可共享的部分，将其只保留一份进而节省大量的内存开销。  
    并不是所有的对象都适合进行享元设计，它要求对象具有可共享的特征，这些可共享的特征可以做享元设计，对象的可共享特征比例越大，进行享元设计后节省的内存越多。  
    注意，对象的不可共享特征不能计入享元设计，所以需要仔细判断区分对象的可共享特征与不可共享特征。

享元模式的本质是：分离和共享。分离的是对象状态中变与不变的部分，共享的是对象中不变的部分。享元模式的关键之处就是在于分离变与不变，把不变的部分作为享元对象的内部状态，把变化的部分作为外部状态，这样享元对象就可以达到共享的目的，从而减少对象数量，节约内存空间。

相关模式：  
    享元模式与单例模式：两者可以组合使用。享元模式中的享元工厂完全可以实现为单例，另外，享元工厂中缓存的享元对象，都是单例实例，可以看成是单例模式的一种变形控制，在享元工厂中来单例享元对象。  
    享元模式与组合模式：两者可以组合使用。在享元模式中，存在不需要共享软件的享元实现，这些不需要共享的享元通常是对共享的享元对象的组合对象。换句话来说，就是通过将将两种模式组合使用，可以实现更复杂的对象层次结构。  
    享元模式与状态模式：两者可以组合使用。可以使用享元模式来共享状态模式中的状态对象。通常在状态模式中，会存在数量很大的，细粒度的状态对象，而且它们基本上可以重复使用的，都是用来处理某一个固定的状态的，它们需要的数据通常都是由上下文传入，也就是变化部分都被分离出去呢，所以可以用享元模式来实现这些状态对象呢。  
    享元模式与策略模式：两者可以组合使用。也可以使用享元来实现策略模式中的策略对象。和状态模式一样，策略模式中也存在大量细粒度的策略对象，它们需要的数据同样也是从上下文传入的，因而可以通过享元模式来实现这些策略对象。

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