java設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(jìn)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(gè)實(shí)例時(shí)，對(duì)創(chuàng)建過(guò)程的性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)；后者是用減少創(chuàng)建實(shí)例的方式，來(lái)調(diào)優(yōu)系統(tǒng)性能。這么看，你會(huì)不會(huì)覺(jué)得兩個(gè)模式有點(diǎn)相互矛盾呢？

其實(shí)不然，它們的使用是分場(chǎng)景的。在有些場(chǎng)景下，我們需要重復(fù)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，例如在循環(huán)體中賦值一個(gè)對(duì)象，此時(shí)我們就可以采用原型模式來(lái)優(yōu)化對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程；而在有些場(chǎng)景下，我們則可以避免重復(fù)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，在內(nèi)存中共享對(duì)象就好了。

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

原型模式

原型模式是通過(guò)給出一個(gè)原型對(duì)象來(lái)指明所創(chuàng)建的對(duì)象的類(lèi)型，然后使用自身實(shí)現(xiàn)的克隆接口來(lái)復(fù)制這個(gè)原型對(duì)象，該模式就是用這種方式來(lái)創(chuàng)建出更多同類(lèi)型的對(duì)象。

使用這種方式創(chuàng)建新的對(duì)象的話，就無(wú)需再通過(guò)new實(shí)例化來(lái)創(chuàng)建對(duì)象了。這是因?yàn)镺bject類(lèi)的clone方法是一個(gè)本地方法，它可以直接操作內(nèi)存中的二進(jìn)制流，所以性能相對(duì)new實(shí)例化來(lái)說(shuō)，更佳。

實(shí)現(xiàn)原型模式

我們現(xiàn)在通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)原型模式：

//實(shí)現(xiàn)Cloneable 接口的原型抽象類(lèi)Prototype
   class Prototype implements Cloneable {
        //重寫(xiě)clone方法
        public Prototype clone(){
            Prototype prototype = null;
            try{
                prototype = (Prototype)super.clone();
            }catch(CloneNotSupportedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            return prototype;
        }
    }
    //實(shí)現(xiàn)原型類(lèi)
    class ConcretePrototype extends Prototype{
        public void show(){
            System.out.println("原型模式實(shí)現(xiàn)類(lèi)");
        }
    }
    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(shí)現(xiàn)一個(gè)原型類(lèi)，需要具備三個(gè)條件：

實(shí)現(xiàn)Cloneable接口：Cloneable接口與序列化接口的作用類(lèi)似，它只是告訴虛擬機(jī)可以安全地在實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口的類(lèi)上使用clone方法。在JVM中，只有實(shí)現(xiàn)了Cloneable接口的類(lèi)才可以被拷貝，否則會(huì)拋出CloneNotSupportedException異常。
重寫(xiě)Object類(lèi)中的clone方法：在Java中，所有類(lèi)的父類(lèi)都是Object類(lèi)，而Object類(lèi)中有一個(gè)clone方法，作用是返回對(duì)象的一個(gè)拷貝。
在重寫(xiě)的clone方法中調(diào)用super.clone()：默認(rèn)情況下，類(lèi)不具備復(fù)制對(duì)象的能力，需要調(diào)用super.clone()來(lái)實(shí)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(gè)對(duì)象。通常，有些人會(huì)誤以為 Object a=new Object();Object b=a; 這種形式就是一種對(duì)象復(fù)制的過(guò)程，然而這種復(fù)制只是對(duì)象引用的復(fù)制，也就是a和b對(duì)象指向了同一個(gè)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)看看普通的對(duì)象復(fù)制問(wèn)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(duì)象，此時(shí)打印的日志應(yīng)該為：

學(xué)生1:test1
學(xué)生2:test2

然而，實(shí)際上是：

學(xué)生1:test2
學(xué)生2:test2

通過(guò)clone方法復(fù)制的對(duì)象才是真正的對(duì)象復(fù)制，clone方法賦值的對(duì)象完全是一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象。剛剛講過(guò)了，Object類(lèi)的clone方法是一個(gè)本地方法，它直接操作內(nèi)存中的二進(jìn)制流，特別是復(fù)制大對(duì)象時(shí)，性能的差別非常明顯。我們可以用 clone 方法再實(shí)現(xiàn)一遍以上例子。

//學(xué)生類(lèi)實(shí)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(xiě)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(guò)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(yùn)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(huì)檢查當(dāng)前對(duì)象所屬的類(lèi)是否支持clone，也就是看該類(lèi)是否實(shí)現(xiàn)了Cloneable接口。

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

所以，當(dāng)我們?cè)谑褂胏lone()方法實(shí)現(xiàn)對(duì)象的克隆時(shí)，就需要注意淺拷貝帶來(lái)的問(wèn)題。我們?cè)偻ㄟ^(guò)一個(gè)例子來(lái)看看淺拷貝。

//定義學(xué)生類(lèi)
class Student implements Cloneable{
    private String name; //學(xué)生姓名
    private Teacher teacher; //定義老師類(lèi)
    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(xiě)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(lèi)
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(xiě)克隆方法，對(duì)老師類(lèi)進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(shí)候，學(xué)生1的老師也跟著被修改了。這就是淺拷貝帶來(lái)的問(wèn)題。

我們可以通過(guò)深拷貝來(lái)解決這種問(wèn)題，其實(shí)深拷貝就是基于淺拷貝來(lái)遞歸實(shí)現(xiàn)具體的每個(gè)對(duì)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(duì)象
            student.setTeacher(teacher);
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            }
            return student;
   }

適用場(chǎng)景

前面我詳述了原型模式的實(shí)現(xiàn)原理，那到底什么時(shí)候我們要用它呢？

在一些重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象的場(chǎng)景下，我們就可以使用原型模式來(lái)提高對(duì)象的創(chuàng)建性能。例如，我在開(kāi)頭提到的，循環(huán)體內(nèi)創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，我們就可以考慮用clone的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

例如：

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

我們可以?xún)?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(kāi)源框架中的應(yīng)用也非常廣泛。例如Spring中，@Service默認(rèn)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(guò)以下注解來(lái)實(shí)現(xiàn)，@Scope(“prototype”)。

享元模式

享元模式是運(yùn)用共享技術(shù)有效地最大限度地復(fù)用細(xì)粒度對(duì)象的一種模式。該模式中，以對(duì)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(duì)象可以共享出來(lái)的信息，這些信息不會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行而改變；外部數(shù)據(jù)則是在不同運(yùn)行時(shí)被標(biāo)記了不同的值。

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

實(shí)現(xiàn)享元模式

我們還是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)享元模式：

//抽象享元類(lèi)
interface Flyweight {
    //對(duì)外狀態(tài)對(duì)象
    void operation(String name);
    //對(duì)內(nèi)對(duì)象
    String getType();
}

//具體享元類(lèi)
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String type;
    public ConcreteFlyweight(String type) {
        this.type = type;
    }
    @Override
    public void operation(String name) {
        System.out.printf("[類(lèi)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(lèi)
class FlyweightFactory {
    private static final Map&lt;String, Flyweight&gt; FLYWEIGHT_MAP = new HashMap&lt;&gt;();//享元池，用來(lái)存儲(chǔ)享元對(duì)象
    public static Flyweight getFlyweight(String type) {
        if (FLYWEIGHT_MAP.containsKey(type)) {//如果在享元池中存在對(duì)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(duì)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(duì)象對(duì)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(lèi)型(內(nèi)在狀態(tài))] - [b] - [名字(外在狀態(tài))] - [abc]
[結(jié)果(對(duì)象對(duì)比)] - [true]
[結(jié)果(內(nèi)在狀態(tài))] - [b]

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

適用場(chǎng)景

享元模式在實(shí)際開(kāi)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(huì)共享常量池中字符串對(duì)象，從而減少重復(fù)創(chuàng)建相同值對(duì)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(kāi)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(shí)現(xiàn)；將商品存儲(chǔ)在應(yīng)用服務(wù)的緩存中，那么每當(dāng)用戶(hù)獲取商品信息時(shí)，則不需要每次都從redis緩存或者數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)源框架，和實(shí)際開(kāi)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(duì)象時(shí)，我們可以使用原型模式，通過(guò)clone方法復(fù)制對(duì)象，這種方式比用new和序列化創(chuàng)建對(duì)象的效率要高；在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，如果我們可以共用對(duì)象的內(nèi)部數(shù)據(jù)，那么通過(guò)享元模式共享相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)的對(duì)象，就可以減少對(duì)象的創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)優(yōu)。

以上就是java設(shè)計(jì)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(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于java原型模式享元模式的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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