1.初識(shí)享元模式
運(yùn)用共享技術(shù)有效地支持大量細(xì)粒度的對(duì)象。
- Flyweight：
享元接口，通過這個(gè)接口flyweight可以接受并作用于外部狀態(tài)。通過這個(gè)接口傳入外部的狀態(tài)，在享元對(duì)象的方法處理中可能會(huì)使用這些外部的數(shù)據(jù)。 - ConcreteFlyweight：
具體的享元實(shí)現(xiàn)對(duì)象，必須是可共享的，需要封裝flyweight的內(nèi)部狀態(tài)。 - UnsharedConcreteFlyweight：
非共享的享元實(shí)現(xiàn)對(duì)象，并不是所有的Flyweight實(shí)現(xiàn)對(duì)象都需要共享。非共享的享元實(shí)現(xiàn)對(duì)象通常是對(duì)共享享元對(duì)象的組合對(duì)象。 - FlyweightFactory：
享元工廠，主要用來創(chuàng)建并管理共享的享元對(duì)象，并對(duì)外提供訪問共享享元的接口。 - Client：
享元客戶端，主要的工作是維持一個(gè)對(duì)flyweight的引用，計(jì)算或存儲(chǔ)享元對(duì)象的外部狀態(tài)，當(dāng)然這里可以訪問共享和不共享的flyweight對(duì)象。
2.體會(huì)享元模式
使用享元模式解決權(quán)限控制問題。
2.1 權(quán)限控制
對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)而言，一般先要登錄系統(tǒng)，才可以使用系統(tǒng)的功能，登錄過后，用戶的每次操作都需要經(jīng)過權(quán)限系統(tǒng)的控制，確保該用戶有操作該功能的權(quán)限，同時(shí)還要控制該用戶對(duì)數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限、修改權(quán)限等等。總之一句話，一個(gè)安全的系統(tǒng)，需要對(duì)用戶的每一次操作都要做權(quán)限檢測(cè)，包括功能和數(shù)據(jù)，以確保只有獲得相應(yīng)授權(quán)的人，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能，操作相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
舉個(gè)例子來說吧：普通人員都有能查看到本部門人員列表的權(quán)限，但是在人員列表中每個(gè)人員的薪資數(shù)據(jù)，普通人員是不可以看到的；而部門經(jīng)理在查看本部門人員列表的時(shí)候，就可以看到每個(gè)人員相應(yīng)的薪資數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在就要來實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)加入權(quán)限控制的功能，該怎么實(shí)現(xiàn)呢？
2.1.1 權(quán)限管理的基礎(chǔ)知識(shí)
幾乎所有的權(quán)限系統(tǒng)都分成兩個(gè)部分，一個(gè)是授權(quán)部分，一個(gè)是驗(yàn)證部分，
為了理解它們，首先解釋兩個(gè)基本的名詞：安全實(shí)體和權(quán)限。
- 1）安全實(shí)體：就是被權(quán)限系統(tǒng)檢測(cè)的對(duì)象，比如工資數(shù)據(jù)。
- 2）權(quán)限：就是需要被校驗(yàn)的權(quán)限對(duì)象，比如查看、修改等。
安全實(shí)體和權(quán)限通常要一起描述才有意義，比如有這么個(gè)描述：“現(xiàn)在要檢測(cè)登錄人員對(duì)工資數(shù)據(jù)是否有查看的權(quán)限”， “工資數(shù)據(jù)”這個(gè)安全實(shí)體和“查看”這個(gè)權(quán)限一定要一起描述。如果只出現(xiàn)安全實(shí)體描述，那就變成這樣：“現(xiàn)在要檢測(cè)登錄人員對(duì)工資數(shù)據(jù)”，對(duì)工資數(shù)據(jù)干什么呀，沒有后半截，一看就知道不完整；當(dāng)然只有權(quán)限描述也不行，那就變成：“現(xiàn)在要檢測(cè)登錄人員是否有查看的權(quán)限”，對(duì)誰的查看權(quán)限啊，也不完整。所以安全實(shí)體和權(quán)限通常要一起描述。
- 所謂授權(quán)是指：把對(duì)某些安全實(shí)體的某些權(quán)限分配給某些人員的過程。
- 所謂驗(yàn)證是指：判斷某個(gè)人員對(duì)某個(gè)安全實(shí)體是否擁有某個(gè)或某些權(quán)限的過程。
也就是說，授權(quán)過程即是權(quán)限的分配過程，而驗(yàn)證過程則是權(quán)限的匹配過程。在目前應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)中，多數(shù)是利用數(shù)據(jù)庫來存放授權(quán)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也就是說：授權(quán)是向數(shù)據(jù)庫里面添加數(shù)據(jù)、或是維護(hù)數(shù)據(jù)的過程，而匹配過程就變成了從數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配的過程了。為了讓問題相對(duì)簡(jiǎn)化一點(diǎn)，就不去考慮權(quán)限的另外兩個(gè)特征，一個(gè)是繼承性，一個(gè)是最近匹配原則，都什么意思呢？
權(quán)限的繼承性
指的是：如果多個(gè)安全實(shí)體存在包含關(guān)系，而某個(gè)安全實(shí)體沒有相應(yīng)的權(quán)限限制，那么它會(huì)繼承包含它的安全實(shí)體的相應(yīng)權(quán)限。權(quán)限的最近匹配原則
指的是：如果多個(gè)安全實(shí)體存在包含關(guān)系，而某個(gè)安全實(shí)體沒有相應(yīng)的權(quán)限限制，那么它會(huì)向上尋找并匹配相應(yīng)權(quán)限限制，直到找到一個(gè)離這個(gè)安全實(shí)體最近的擁有相應(yīng)權(quán)限限制的安全實(shí)體為止。如果把整個(gè)層次結(jié)構(gòu)都尋找完了都沒有匹配到相應(yīng)權(quán)限限制的話，那就說明所有人對(duì)這個(gè)安全實(shí)體都擁有這個(gè)相應(yīng)的權(quán)限限制。
可通過小區(qū)的權(quán)限實(shí)例來理解：小區(qū)->大樓->房間。
2.2 不用模式的解決方案
不用模式的解決方案example1
由于操作人員進(jìn)行授權(quán)操作過后，各人員被授予的權(quán)限是記錄在數(shù)據(jù)庫中的，剛開始有開發(fā)人員提出，每次用戶操作系統(tǒng)的時(shí)候，都直接到數(shù)據(jù)庫里面去動(dòng)態(tài)查詢，以判斷該人員是否擁有相應(yīng)的權(quán)限，但很快就被否決掉了，試想一下，用戶操作那么頻繁，每次都到數(shù)據(jù)庫里面動(dòng)態(tài)查詢，這會(huì)嚴(yán)重加劇數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)變慢。
為了加快系統(tǒng)運(yùn)行的速度，開發(fā)小組決定采用一定的緩存，當(dāng)每個(gè)人員登錄的時(shí)候，就把該人員能操作的權(quán)限獲取到，存儲(chǔ)在內(nèi)存中，這樣每次操作的時(shí)候，就直接在內(nèi)存里面進(jìn)行權(quán)限的校驗(yàn)，速度會(huì)大大加快，這是典型的以空間換時(shí)間的做法。
2.2.1 有何問題
看了上面的實(shí)現(xiàn)，很簡(jiǎn)單，而且還考慮了性能的問題，在內(nèi)存中緩存了每個(gè)人相應(yīng)的權(quán)限數(shù)據(jù)，使得每次判斷權(quán)限的時(shí)候，速度大大加快，實(shí)現(xiàn)得挺不錯(cuò)，難道有什么問題嗎？
2.2.1.1 緩存固有問題
仔細(xì)想想，問題就來了，既有緩存這種方式固有的問題，也有我們實(shí)現(xiàn)上的問題。先說說緩存固有的問題吧，這個(gè)不在本次討論之列。
- 1）緩存時(shí)間長(zhǎng)度的問題
- 2）緩存數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)的同步問題
- 3）緩存的多線程并發(fā)控制
2.2.1.2 存在大量有重復(fù)數(shù)據(jù)的細(xì)粒度對(duì)象
仔細(xì)看看上面輸出結(jié)果，輸出的值是不同的，表明這些對(duì)象實(shí)例肯定不是同一個(gè)對(duì)象實(shí)例，而是多個(gè)對(duì)象實(shí)例。這就引出一個(gè)問題了，就是對(duì)象實(shí)例數(shù)目太多。
另外，這些對(duì)象的粒度都很小，都是簡(jiǎn)單的描述某一個(gè)方面的對(duì)象，而且很多數(shù)據(jù)是重復(fù)的，在這些大量重復(fù)的數(shù)據(jù)上耗費(fèi)掉了很多的內(nèi)存。比如在前面示例的數(shù)據(jù)中就會(huì)發(fā)現(xiàn)有重復(fù)的部分，見下面框住的部分：
前面講過，對(duì)于安全實(shí)體和權(quán)限一般要聯(lián)合描述，因此對(duì)于“人員列表這個(gè)安全實(shí)體的查看權(quán)限限制”，就算是授權(quán)給不同的人員，這個(gè)描述是一樣的。假設(shè)在某極端情況下，要把“人員列表這個(gè)安全實(shí)體的查看權(quán)限限制”授權(quán)給一萬個(gè)人，那么數(shù)據(jù)庫里面會(huì)有一萬條記錄，按照前面的實(shí)現(xiàn)方式，會(huì)有一萬個(gè)對(duì)象實(shí)例，而這些實(shí)例里面，有大部分的數(shù)據(jù)是重復(fù)的，而且會(huì)重復(fù)一萬次，你覺得這是不是個(gè)很大的問題呢？
把上面的問題描述出來就是：在系統(tǒng)當(dāng)中，存在大量的細(xì)粒度對(duì)象，而且存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重耗費(fèi)內(nèi)存，如何解決？
2.3 使用模式的解決方案
使用模式的解決方案example2
現(xiàn)在造成內(nèi)存浪費(fèi)的主要原因：就是細(xì)粒度對(duì)象太多，而且有大量重復(fù)的數(shù)據(jù)。如果能夠有效的減少對(duì)象的數(shù)量，減少重復(fù)的數(shù)據(jù)，那么就能夠節(jié)省不少內(nèi)存。一個(gè)基本的思路就是緩存這些包含著重復(fù)數(shù)據(jù)的對(duì)象，讓這些對(duì)象只出現(xiàn)一次，也就只耗費(fèi)一份內(nèi)存了。
但是請(qǐng)注意，并不是所有的對(duì)象都適合緩存，因?yàn)榫彺娴氖菍?duì)象的實(shí)例，實(shí)例里面存放的主要是對(duì)象屬性的值。因此，如果被緩存的對(duì)象的屬性值經(jīng)常變動(dòng)，那就不適合緩存了，因?yàn)檎鎸?shí)對(duì)象的屬性值變化了，那么緩存里面的對(duì)象也必須要跟著變化，否則緩存中的數(shù)據(jù)就跟真實(shí)對(duì)象的數(shù)據(jù)不同步，可以說是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)了。
因此，需要分離出被緩存對(duì)象實(shí)例中，哪些數(shù)據(jù)是不變且重復(fù)出現(xiàn)的，哪些數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化的，真正應(yīng)該被緩存的數(shù)據(jù)是那些不變且重復(fù)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，把它們稱為對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，而那些變化的數(shù)據(jù)就不緩存了，把它們稱為對(duì)象的外部狀態(tài)。
這樣在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，把內(nèi)部狀態(tài)分離出來共享，稱之為享元，通過共享享元對(duì)象來減少對(duì)內(nèi)存的占用。把外部狀態(tài)分離出來，放到外部，讓應(yīng)用在使用的時(shí)候進(jìn)行維護(hù)，并在需要的時(shí)候傳遞給享元對(duì)象使用。為了控制對(duì)內(nèi)部狀態(tài)的共享，并且讓外部能簡(jiǎn)單的使用共享數(shù)據(jù)，提供一個(gè)工廠來管理享元，把它稱為享元工廠。
很明顯，可以把安全實(shí)體和權(quán)限的描述定義成為享元，而和它們結(jié)合的人員數(shù)據(jù)，就可以做為享元的外部數(shù)據(jù)。
3.理解享元模式
3.1 認(rèn)識(shí)享元模式
3.1.1 變與不變
享元模式設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就在于分離變與不變，把一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)分成內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)，內(nèi)部狀態(tài)是不變的，外部狀態(tài)是可變的。然后通過共享不變的部分，達(dá)到減少對(duì)象數(shù)量、并節(jié)約內(nèi)存的目的。在享元對(duì)象需要的時(shí)候，可以從外部傳入外部狀態(tài)給共享的對(duì)象，共享對(duì)象會(huì)在功能處理的時(shí)候，使用自己內(nèi)部的狀態(tài)和這些外部的狀態(tài)。
3.1.2 共享與不共享
在享元模式中，享元對(duì)象又有共享與不共享之分，這種情況通常出現(xiàn)在跟組合模式合用的情況，通常共享的是葉子對(duì)象，一般不共享的部分是由共享部分組合而成的，由于所有細(xì)粒度的葉子對(duì)象都已經(jīng)緩存了，那么緩存組合對(duì)象就沒有什么意義了。
3.1.3 內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)
享元模式的內(nèi)部狀態(tài)，通常指的是包含在享元對(duì)象內(nèi)部的、對(duì)象本身的狀態(tài)，通常是獨(dú)立于使用享元的場(chǎng)景的信息，一般創(chuàng)建過后就不再變化的狀態(tài)，因此可以共享。
外部狀態(tài)指的是享元對(duì)象之外的狀態(tài)，取決于使用享元的場(chǎng)景，會(huì)根據(jù)使用場(chǎng)景而變化，因此不可共享。如果享元對(duì)象需要這些外部狀態(tài)的話，可以從外部傳遞到享元對(duì)象里面，比如通過方法的參數(shù)來傳遞。
也就是說享元模式真正緩存和共享的數(shù)據(jù)是享元的內(nèi)部狀態(tài)，而外部狀態(tài)是不應(yīng)該被緩存共享的。
另外一點(diǎn)，內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)是獨(dú)立的，外部狀態(tài)的變化不應(yīng)該影響到內(nèi)部狀態(tài)。
3.1.4 實(shí)例池
在享元模式中，為了創(chuàng)建和管理共享的享元部分，引入了享元工廠，享元工廠中一般都包含有享元對(duì)象的實(shí)例池，享元對(duì)象就是緩存在這個(gè)實(shí)例池中的。
簡(jiǎn)單介紹一點(diǎn)實(shí)例池的知識(shí)，所謂實(shí)例池，指的是緩存和管理對(duì)象實(shí)例的程序，通常實(shí)例池會(huì)提供對(duì)象實(shí)例的運(yùn)行環(huán)境，并控制對(duì)象實(shí)例的生命周期。
工業(yè)級(jí)的實(shí)例池實(shí)現(xiàn)上有兩個(gè)最基本的難點(diǎn)，一個(gè)就是動(dòng)態(tài)控制實(shí)例數(shù)量，一個(gè)就是動(dòng)態(tài)分配實(shí)例來提供給外部使用。這些都是需要算法來做保證的。
回到享元模式中來，享元工廠中的實(shí)例池可沒有這么復(fù)雜，因?yàn)楣蚕淼南碓獙?duì)象基本上都是一個(gè)實(shí)例，一般不會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)享元對(duì)象有多個(gè)實(shí)例的情況，這樣就不用去考慮動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和銷毀享元對(duì)象實(shí)例的功能；另外只有一個(gè)實(shí)例，也就不存在動(dòng)態(tài)調(diào)度的麻煩。
這也主要是因?yàn)橄碓獙?duì)象封裝的多半是對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，這些狀態(tài)通常是不變的，有一個(gè)實(shí)例就夠了，不需要?jiǎng)討B(tài)控制生命周期，也不需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)度，它只需要做一個(gè)緩存而已，沒有上升到真正的實(shí)例池那么個(gè)高度。
3.1.5 享元模式的調(diào)用順序示意圖
享元模式的使用上，有兩種情況，一種是沒有“不需要共享”的享元對(duì)
象，就如同前面的示例那樣，只有共享享元對(duì)象的情況；還有一種是既有共享享元對(duì)象，又有不需要共享的享元對(duì)象的情況。
這里看看只有共享享元對(duì)象的情況下，享元模式的調(diào)用順序：
3.1.6 誰來初始化共享對(duì)象
在享元模式中，通常是在第一次向享元工廠請(qǐng)求獲取共享對(duì)象的時(shí)候，進(jìn)行共享對(duì)象的初始化，而且多半都是在享元工廠內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，不會(huì)從外部傳入共享對(duì)象。當(dāng)然可以從外部傳入一些創(chuàng)建共享對(duì)象需要的值，享元工廠可以按照這些值去初始化需要共享的對(duì)象，然后就把創(chuàng)建好的共享對(duì)象的實(shí)例放入享元工廠內(nèi)部的緩存中，以后再請(qǐng)求這個(gè)共享對(duì)象的時(shí)候就不用再創(chuàng)建了。
3.2 不需要共享的享元實(shí)現(xiàn)
共享example3
在實(shí)際開發(fā)中，存在不需要共享的享元實(shí)現(xiàn)，這種情況多出現(xiàn)在組合結(jié)構(gòu)中，對(duì)于使用已經(jīng)緩存的享元組合出來的對(duì)象，就沒有必要再緩存了，也就是把已經(jīng)緩存的享元當(dāng)做葉子結(jié)點(diǎn)，組合出來的組合對(duì)象就不需要再被緩存了。也把這種享元稱為復(fù)合享元。
比如要給某人分配“薪資數(shù)據(jù)”這個(gè)安全實(shí)體的“修改”權(quán)限，那么一定會(huì)把“薪資數(shù)據(jù)”的“查看權(quán)限”也分配給這個(gè)人，如果按照前面的做法，這就需要分配兩個(gè)對(duì)象，為了方便，干脆把這兩個(gè)描述組合起來，打包成一個(gè)對(duì)象，命名成為“操作薪資數(shù)據(jù)”，那么分配權(quán)限的時(shí)候，可以這么描述：
把“操作薪資數(shù)據(jù)” 分配給張三
這句話的意思就相當(dāng)于
把“薪資數(shù)據(jù)” 的“查看”權(quán)限分配給張三
把“薪資數(shù)據(jù)” 的“修改”權(quán)限分配給張三
這樣一來，“操作薪資數(shù)據(jù)”就相當(dāng)于是一個(gè)不需要共享的享元，它實(shí)際由享元“薪資數(shù)據(jù)的查看權(quán)限”，和享元“薪資數(shù)據(jù)的修改權(quán)限”這兩個(gè)享元組合而成，因此“操作薪資數(shù)據(jù)”本身也就不需要再共享了。
3.3 對(duì)享元對(duì)象的管理
對(duì)享元對(duì)象的管理example4
雖然享元模式對(duì)于共享的享元對(duì)象實(shí)例的管理要求，沒有實(shí)例池對(duì)實(shí)例管理的要求那么高，但是也還是有很多自身的特點(diǎn)功能，比如：引用計(jì)數(shù)、垃圾清除等。
所謂引用計(jì)數(shù)，就是享元工廠能夠記錄每個(gè)享元被使用的次數(shù)；所謂垃圾，就是在緩存中存在，但是不再需要被使用的緩存中的對(duì)象。而垃圾清除，就是在不需要這些數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)該把這些數(shù)據(jù)從緩存中清除，釋放相應(yīng)的內(nèi)存空間，以節(jié)省資源。
在前面的示例中，共享的享元對(duì)象是很多人共享的，基本上可以一直存在于系統(tǒng)中，不用清除。但是垃圾清除是享元對(duì)象管理的一個(gè)很常見功能。
3.3.1 實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)的基本思路
要實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)，就在享元工廠里面定義一個(gè)Map，它的key值跟緩存享元對(duì)象的key是一樣的，而value就是被引用的次數(shù)，這樣當(dāng)外部每次獲取該享元的時(shí)候，就把對(duì)應(yīng)的引用計(jì)數(shù)取出來加上1，然后再記錄回去。
3.3.2 實(shí)現(xiàn)垃圾回收的基本思路
要實(shí)現(xiàn)垃圾回收就比較麻煩點(diǎn)，首先要能確定哪些是垃圾？其次是何時(shí)回收？還有由誰來回收？如何回收？解決了這些問題，也就能實(shí)現(xiàn)垃圾回收了。
確定哪些是垃圾的一個(gè)簡(jiǎn)單方案是這樣的，定義一個(gè)緩存對(duì)象的配置對(duì)象，在這個(gè)對(duì)象中描述了緩存的開始時(shí)間和最長(zhǎng)不被使用的時(shí)間，這個(gè)時(shí)候判斷是垃圾的計(jì)算公式如下：
當(dāng)前的時(shí)間- 緩存的開始時(shí)間>= 最長(zhǎng)不被使用的時(shí)間。
當(dāng)然，每次這個(gè)對(duì)象被使用的時(shí)候，就把那個(gè)緩存開始的時(shí)間更新為使用時(shí)的當(dāng)前時(shí)間，也就是說如果一直有人用的話，這個(gè)對(duì)象是不會(huì)被判斷為垃圾的。
何時(shí)回收的問題，當(dāng)然是判斷出來是垃圾了就可以回收了。
關(guān)鍵是誰來判斷垃圾，還有誰來回收垃圾的問題。一個(gè)簡(jiǎn)單的方案是定義一個(gè)內(nèi)部的線程，這個(gè)線程在享元工廠被創(chuàng)建的時(shí)候就啟動(dòng)運(yùn)行。由這個(gè)線程每隔一定的時(shí)間來循環(huán)緩存中所有對(duì)象的緩存配置，看看是否是垃圾，如果是垃圾，那就可以啟動(dòng)回收了。
怎么回收呢？這個(gè)簡(jiǎn)單，就是直接從緩存的map對(duì)象中刪除掉相應(yīng)的對(duì)象，讓這些對(duì)象沒有引用的地方，那么這些對(duì)象就可以等著被虛擬機(jī)的垃圾回收來回收掉了。
3.4 享元模式的優(yōu)缺點(diǎn)
- 1）減少對(duì)象數(shù)量，節(jié)省內(nèi)存空間
- 2）維護(hù)共享對(duì)象，需要額外開銷
4.思考享元模式
4.1 享元模式的本質(zhì)
享元模式的本質(zhì)是：分離與共享
4.2 何時(shí)選用
- 1）如果一個(gè)應(yīng)用程序使用了大量的細(xì)粒度對(duì)象，可以使用享元模式來減少對(duì)象數(shù)量
- 2）如果由于使用大量的對(duì)象，造成很大的存儲(chǔ)開銷，可以使用享元模式來減少對(duì)象數(shù)量，并節(jié)約內(nèi)存
- 3）如果對(duì)象的大多數(shù)狀態(tài)都可以轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠繝顟B(tài)，比如通過計(jì)算得到，或是從外部傳入等，可以使用享元模式來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)的分離
- 4）如果不考慮對(duì)象的外部狀態(tài)，可以用相對(duì)較少的共享對(duì)象取代很多組合對(duì)象，可以使用享元模式來共享對(duì)象，然后組合對(duì)象來使用這些共享對(duì)象
