java設(shè)計模式原型模式與享元模式調(diào)優(yōu)系統(tǒng)性能詳解

更新時間：2023年05月28日 09:15:48 作者：架構(gòu)狂人

這篇文章主要為大家介紹了java設(shè)計模式原型模式與享元模式調(diào)優(yōu)系統(tǒng)性能方法詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

原型模式與享元模式

原型模式和享元模式，前者是在創(chuàng)建多個實例時，對創(chuàng)建過程的性能進行調(diào)優(yōu)；后者是用減少創(chuàng)建實例的方式，來調(diào)優(yōu)系統(tǒng)性能。這么看，你會不會覺得兩個模式有點相互矛盾呢？

其實不然，它們的使用是分場景的。在有些場景下，我們需要重復(fù)創(chuàng)建多個實例，例如在循環(huán)體中賦值一個對象，此時我們就可以采用原型模式來優(yōu)化對象的創(chuàng)建過程；而在有些場景下，我們則可以避免重復(fù)創(chuàng)建多個實例，在內(nèi)存中共享對象就好了。

今天我們就來看看這兩種模式的適用場景，看看如何使用它們來提升系統(tǒng)性能。

原型模式

原型模式是通過給出一個原型對象來指明所創(chuàng)建的對象的類型，然后使用自身實現(xiàn)的克隆接口來復(fù)制這個原型對象，該模式就是用這種方式來創(chuàng)建出更多同類型的對象。

使用這種方式創(chuàng)建新的對象的話，就無需再通過new實例化來創(chuàng)建對象了。這是因為Object類的clone方法是一個本地方法，它可以直接操作內(nèi)存中的二進制流，所以性能相對new實例化來說，更佳。

實現(xiàn)原型模式

我們現(xiàn)在通過一個簡單的例子來實現(xiàn)一個原型模式：

//實現(xiàn)Cloneable 接口的原型抽象類Prototype
   class Prototype implements Cloneable {
        //重寫clone方法
        public Prototype clone(){
            Prototype prototype = null;
            try{
                prototype = (Prototype)super.clone();
            }catch(CloneNotSupportedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            return prototype;
        }
    }
    //實現(xiàn)原型類
    class ConcretePrototype extends Prototype{
        public void show(){
            System.out.println("原型模式實現(xiàn)類");
        }
    }
    public class Client {
        public static void main(String[] args){
            ConcretePrototype cp = new ConcretePrototype();
            for(int i=0; i< 10; i++){
                ConcretePrototype clonecp = (ConcretePrototype)cp.clone();
                clonecp.show();
            }
        }
    }

要實現(xiàn)一個原型類，需要具備三個條件：

實現(xiàn)Cloneable接口：Cloneable接口與序列化接口的作用類似，它只是告訴虛擬機可以安全地在實現(xiàn)了這個接口的類上使用clone方法。在JVM中，只有實現(xiàn)了Cloneable接口的類才可以被拷貝，否則會拋出CloneNotSupportedException異常。
重寫Object類中的clone方法：在Java中，所有類的父類都是Object類，而Object類中有一個clone方法，作用是返回對象的一個拷貝。
在重寫的clone方法中調(diào)用super.clone()：默認情況下，類不具備復(fù)制對象的能力，需要調(diào)用super.clone()來實現(xiàn)。

從上面我們可以看出，原型模式的主要特征就是使用clone方法復(fù)制一個對象。通常，有些人會誤以為 Object a=new Object();Object b=a; 這種形式就是一種對象復(fù)制的過程，然而這種復(fù)制只是對象引用的復(fù)制，也就是a和b對象指向了同一個內(nèi)存地址，如果b修改了，a的值也就跟著被修改了。

我們可以通過一個簡單的例子來看看普通的對象復(fù)制問題：

class Student {
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name= name;
    }
}
public class Test {
    public static void main(String args[]) {
        Student stu1 = new Student();
        stu1.setName("test1");
        Student stu2 = stu1;
        stu2.setName("test2");
        System.out.println("學(xué)生1:" + stu1.getName());
        System.out.println("學(xué)生2:" + stu2.getName());
    }
}

如果是復(fù)制對象，此時打印的日志應(yīng)該為：

學(xué)生1:test1
學(xué)生2:test2

然而，實際上是：

學(xué)生1:test2
學(xué)生2:test2

通過clone方法復(fù)制的對象才是真正的對象復(fù)制，clone方法賦值的對象完全是一個獨立的對象。剛剛講過了，Object類的clone方法是一個本地方法，它直接操作內(nèi)存中的二進制流，特別是復(fù)制大對象時，性能的差別非常明顯。我們可以用 clone 方法再實現(xiàn)一遍以上例子。

//學(xué)生類實現(xiàn)Cloneable接口
class Student implements Cloneable{
    private String name;  //姓名
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name= name;
    }
   //重寫clone方法
   public Student clone() {
        Student student = null;
        try {
            student = (Student) super.clone();
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            }
            return student;
   }
}
public class Test {
    public static void main(String args[]) {
        Student stu1 = new Student();  //創(chuàng)建學(xué)生1
        stu1.setName("test1");
        Student stu2 = stu1.clone();  //通過克隆創(chuàng)建學(xué)生2
        stu2.setName("test2");
        System.out.println("學(xué)生1:" + stu1.getName());
        System.out.println("學(xué)生2:" + stu2.getName());
    }
}

運行結(jié)果：

學(xué)生1:test1
學(xué)生2:test2

深拷貝和淺拷貝

在調(diào)用super.clone()方法之后，首先會檢查當(dāng)前對象所屬的類是否支持clone，也就是看該類是否實現(xiàn)了Cloneable接口。

如果支持，則創(chuàng)建當(dāng)前對象所屬類的一個新對象，并對該對象進行初始化，使得新對象的成員變量的值與當(dāng)前對象的成員變量的值一模一樣，但對于其它對象的引用以及List等類型的成員屬性，則只能復(fù)制這些對象的引用了。所以簡單調(diào)用super.clone()這種克隆對象方式，就是一種淺拷貝。

所以，當(dāng)我們在使用clone()方法實現(xiàn)對象的克隆時，就需要注意淺拷貝帶來的問題。我們再通過一個例子來看看淺拷貝。

//定義學(xué)生類
class Student implements Cloneable{
    private String name; //學(xué)生姓名
    private Teacher teacher; //定義老師類
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Teacher getTeacher() {
        return teacher;
    }
    public void setTeacher(Teacher teacher) {
        this.teacher = teacher;
    }
   //重寫克隆方法
   public Student clone() {
        Student student = null;
        try {
            student = (Student) super.clone();
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            }
            return student;
   }
}
//定義老師類
class Teacher implements Cloneable{
    private String name;  //老師姓名
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name= name;
    }
   //重寫克隆方法，對老師類進行克隆
   public Teacher clone() {
        Teacher teacher= null;
        try {
            teacher= (Teacher) super.clone();
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            }
            return student;
   }
}
public class Test {
    public static void main(String args[]) {
        Teacher teacher = new Teacher (); //定義老師1
        teacher.setName("劉老師");
        Student stu1 = new Student();  //定義學(xué)生1
        stu1.setName("test1");
        stu1.setTeacher(teacher);
        Student stu2 = stu1.clone(); //定義學(xué)生2
        stu2.setName("test2");
        stu2.getTeacher().setName("王老師");//修改老師
        System.out.println("學(xué)生" + stu1.getName + "的老師是:" + stu1.getTeacher().getName);
        System.out.println("學(xué)生" + stu1.getName + "的老師是:" + stu2.getTeacher().getName);
    }
}

運行結(jié)果：

學(xué)生test1的老師是：王老師
學(xué)生test2的老師是：王老師

觀察以上運行結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)：在我們給學(xué)生2修改老師的時候，學(xué)生1的老師也跟著被修改了。這就是淺拷貝帶來的問題。

我們可以通過深拷貝來解決這種問題，其實深拷貝就是基于淺拷貝來遞歸實現(xiàn)具體的每個對象，代碼如下：

public Student clone() {
        Student student = null;
        try {
            student = (Student) super.clone();
            Teacher teacher = this.teacher.clone();//克隆teacher對象
            student.setTeacher(teacher);
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            }
            return student;
   }

適用場景

前面我詳述了原型模式的實現(xiàn)原理，那到底什么時候我們要用它呢？

在一些重復(fù)創(chuàng)建對象的場景下，我們就可以使用原型模式來提高對象的創(chuàng)建性能。例如，我在開頭提到的，循環(huán)體內(nèi)創(chuàng)建對象時，我們就可以考慮用clone的方式來實現(xiàn)。

例如：

for(int i=0; i&lt;list.size(); i++){
  Student stu = new Student();
  ...
}

我們可以優(yōu)化為：

Student stu = new Student();
for(int i=0; i&lt;list.size(); i++){
 Student stu1 = (Student)stu.clone();
  ...
}

除此之外，原型模式在開源框架中的應(yīng)用也非常廣泛。例如Spring中，@Service默認都是單例的。用了私有全局變量，若不想影響下次注入或每次上下文獲取bean，就需要用到原型模式，我們可以通過以下注解來實現(xiàn)，@Scope(“prototype”)。

享元模式

享元模式是運用共享技術(shù)有效地最大限度地復(fù)用細粒度對象的一種模式。該模式中，以對象的信息狀態(tài)劃分，可以分為內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)。內(nèi)部數(shù)據(jù)是對象可以共享出來的信息，這些信息不會隨著系統(tǒng)的運行而改變；外部數(shù)據(jù)則是在不同運行時被標記了不同的值。

享元模式一般可以分為三個角色，分別為 Flyweight（抽象享元類）、ConcreteFlyweight（具體享元類）和 FlyweightFactory（享元工廠類）。抽象享元類通常是一個接口或抽象類，向外界提供享元對象的內(nèi)部數(shù)據(jù)或外部數(shù)據(jù)；具體享元類是指具體實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享的類；享元工廠類則是主要用于創(chuàng)建和管理享元對象的工廠類。

實現(xiàn)享元模式

我們還是通過一個簡單的例子來實現(xiàn)一個享元模式：

//抽象享元類
interface Flyweight {
    //對外狀態(tài)對象
    void operation(String name);
    //對內(nèi)對象
    String getType();
}

//具體享元類
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String type;
    public ConcreteFlyweight(String type) {
        this.type = type;
    }
    @Override
    public void operation(String name) {
        System.out.printf("[類型(內(nèi)在狀態(tài))] - [%s] - [名字(外在狀態(tài))] - [%s]\n", type, name);
    }
    @Override
    public String getType() {
        return type;
    }
}

//享元工廠類
class FlyweightFactory {
    private static final Map&lt;String, Flyweight&gt; FLYWEIGHT_MAP = new HashMap&lt;&gt;();//享元池，用來存儲享元對象
    public static Flyweight getFlyweight(String type) {
        if (FLYWEIGHT_MAP.containsKey(type)) {//如果在享元池中存在對象，則直接獲取
            return FLYWEIGHT_MAP.get(type);
        } else {//在響應(yīng)池不存在，則新創(chuàng)建對象，并放入到享元池
            ConcreteFlyweight flyweight = new ConcreteFlyweight(type);
            FLYWEIGHT_MAP.put(type, flyweight);
            return flyweight;
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Flyweight fw0 = FlyweightFactory.getFlyweight("a");
        Flyweight fw1 = FlyweightFactory.getFlyweight("b");
        Flyweight fw2 = FlyweightFactory.getFlyweight("a");
        Flyweight fw3 = FlyweightFactory.getFlyweight("b");
        fw1.operation("abc");
        System.out.printf("[結(jié)果(對象對比)] - [%s]\n", fw0 == fw2);
        System.out.printf("[結(jié)果(內(nèi)在狀態(tài))] - [%s]\n", fw1.getType());
    }
}

輸出結(jié)果：

[類型(內(nèi)在狀態(tài))] - [b] - [名字(外在狀態(tài))] - [abc]
[結(jié)果(對象對比)] - [true]
[結(jié)果(內(nèi)在狀態(tài))] - [b]

觀察以上代碼運行結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)：如果對象已經(jīng)存在于享元池中，則不會再創(chuàng)建該對象了，而是共用享元池中內(nèi)部數(shù)據(jù)一致的對象。這樣就減少了對象的創(chuàng)建，同時也節(jié)省了同樣內(nèi)部數(shù)據(jù)的對象所占用的內(nèi)存空間。

適用場景

享元模式在實際開發(fā)中的應(yīng)用也非常廣泛。例如Java的String字符串，在一些字符串常量中，會共享常量池中字符串對象，從而減少重復(fù)創(chuàng)建相同值對象，占用內(nèi)存空間。代碼如下：

String s1 = "hello";
 String s2 = "hello";
 System.out.println(s1==s2);//true

還有，在日常開發(fā)中的應(yīng)用。例如，池化技術(shù)中的線程池就是享元模式的一種實現(xiàn)；將商品存儲在應(yīng)用服務(wù)的緩存中，那么每當(dāng)用戶獲取商品信息時，則不需要每次都從redis緩存或者數(shù)據(jù)庫中獲取商品信息，并在內(nèi)存中重復(fù)創(chuàng)建商品信息了。

總結(jié)

原型模式和享元模式，在開源框架，和實際開發(fā)中，應(yīng)用都十分廣泛。

在不得已需要重復(fù)創(chuàng)建大量同一對象時，我們可以使用原型模式，通過clone方法復(fù)制對象，這種方式比用new和序列化創(chuàng)建對象的效率要高；在創(chuàng)建對象時，如果我們可以共用對象的內(nèi)部數(shù)據(jù)，那么通過享元模式共享相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)的對象，就可以減少對象的創(chuàng)建，實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)優(yōu)。

以上就是java設(shè)計模式原型模式與享元模式調(diào)優(yōu)系統(tǒng)性能詳解的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于java原型模式享元模式的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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