Приспособленец – паттерн, структурирующий объекты

Назначение

Использует разделение для эффективной поддержки множества мелких объектов.

Flyweight: мотивация

В некоторых приложениях использование объектов могло бы быть очень полезным, но прямолинейная реализация оказывается недопустимо расточительной. Например, в большинстве редакторов документов имеются средства форматирования и редактирования текстов, в той или иной степени модульные. Объектно-ориентированные редакторы обычно применяют объекты для представления таких встроенных элементов, как таблицы и рисунки. Но они не используют объекты для представления каждого символа, несмотря на то что это увеличило бы гибкость на самых нижних уровнях приложения. Ведь тогда к рисованию и форматированию символов и встроенных элементов можно былб бы применить единообразный подход. И для поддержки новых наборов символов не пришлось бы как-либо затрагивать остальные функции редактора. Да и общая структура приложения отражала бы физическую структуру документа.

У такого дизайна есть один недостаток - стоимость. Даже в документе скромных размеров было бы несколько сотен тысяч объектов-символов, а это привело бы к расходованию огромного объема памяти и неприемлемым затратам во время выполнения. Паттерн приспособленец показывает, как разделять очень мелкие объекты без недопустимо высоких издержек.

Приспособленец - это разделяемый объект, который можно использовать одновременно в нескольких контекстах. В каждом контексте он выглядит как независимый объект, то есть неотличим от экземпляра, который не разделяется. Приспособленцы не могут делать предположений о контексте, в котором работают.

Ключевая идея здесь - различие между внутренним и внешним состояниями.

Внутреннее состояние хранится в самом приспособленце и состоит из информации, не зависящей от его контекста. Именно поэтому он может разделяться. Внешнее состояние зависит от контекста и изменяется вместе с ним, поэтому не подлежит разделению. Объекты-клиенты отвечают за передачу внешнего состояния приспособленцу, когда в этом возникает необходимость.

Приспособленцы моделируют концепции или сущности, число которых слишком велико для представления объектами. Например, редактор документов мог бы создать по одному приспособленцу для каждой буквы алфавита. Каждый приспособленец хранит код символа, но координаты положения символа в документе и стиль его начертания определяются алгоритмами размещения текста и командами форматирования, действующими в том месте, где символ появляется. Код символа - это внутреннее состояние, а все остальное - внешнее.

Логически для каждого вхождения данного символа в документ существует объект. Физически, однако, есть лишь по одному объекту-приспособленцу для каждого символа, который появляется в различных контекстах в структуре документа. Каждое вхождение данного объекта-символа ссылается на один и тот же экземпляр в разделяемом пуле объектов-приспособленцев.

Ниже изображена структура класса для этих объектов. Glyph - это абстрактный класс для представления графических объектов (некоторые из них могут быть приспособленцами). Операции, которые могут зависеть от внешнего состояния, передают его в качестве параметра. Например, операциям Draw (рисование) и Intersects (пересечение) должно быть известно, в каком контексте встречается глиф, иначе они не смогут выполнить то, что от них требуется.

Рисунок 21

Приспособленец, представляющий букву «а», содержит только соответствующий ей код; ни положение, ни шрифт буквы ему хранить не надо. Клиенты передают приспособленцу всю зависящую от контекста информацию, которая нужна, чтобы он мог изобразить себя. Например, глифу Row известно, где его потомки должны себя показать, чтобы это выглядело как горизонтальная строка. Поэтому вместе с запросом на рисование он может передавать каждому потомку координаты.

Поскольку число различных объектов-символов гораздо меньше, чем число символов в документе, то и общее количество объектов существенно меньше, чем было бы при простой реализации. Документ, в котором все символы изображаются одним шрифтом и цветом, создаст порядка 100 объектов-символов (это примерно равно числу кодов в таблице ASCII) независимо от своего размера. А поскольку в большинстве документов применяется не более десятка различных комбинаций шрифта и цвета, то на практике эта величина возрастет несущественно. Поэтому абстракция объекта становится применимой и к отдельным символам.

Flyweight: применимость

Эффективность паттерна приспособленец во многом зависит от того, как и где он используется. Применяйте этот паттерн, когда выполнены все нижеперечисленные условия:

• в приложении используется большое число объектов;

• из-за этого накладные расходы на хранение высоки;

• большую часть состояния объектов можно вынести вовне;

• многие группы объектов можно заменить относительно небольшим количеством разделяемых объектов, поскольку внешнее состояние вынесено;

• приложение не зависит от идентичности объекта. Поскольку объекты-приспособленцы могут разделяться, то проверка на идентичность возвратит «истину» для концептуально различных объектов.

Flyweight: структура

Рисунок 22

Участники

• Flyweight (Glyph) – приспособленец - объявляет интерфейс, с помощью которого приспособленцы могут получать внешнее состояние или как-то воздействовать на него;

• ConcreteFlyweight (Character) - конкретный приспособленец: - реализует интерфейс класса Flyweight и добавляет при необходимости внутреннее состояние. Объект класса ConcreteFlyweight должен быть разделяемым. Любое сохраняемое им состояние должно быть внутренним, то есть не зависящим от контекста;

• UnsharedConcreteFlyweight (Row, Column) - неразделяемый конкретный приспособленец - не все подклассы Flyweight обязательно должны быть разделяемыми. Интерфейс Flyweight допускает разделение, но не навязывает его. Часто у объектов UnsharedConcreteFlyweight на некотором уровне структурыприспособленца есть потомки в виде объектов класса Concret eFlyweight, как, например, у объектов классов Row и Column;

• FlyweightFactory - фабрика приспособленцев - создает объекты-приспособленцы и управляет ими, а также обеспечивает должное разделение приспособленцев. Когда клиент запрашивает приспособленца, объект FlyweightFactory предоставляет существующий экземпляр или создает новый, если готового еще нет;

• Client – клиент - хранит ссылки на одного или нескольких приспособленцев и вычисляет или хранит внешнее состояние приспособленцев.

Отношения

Состояние, необходимое приспособленцу для нормальной работы, можно охарактеризовать как внутреннее или внешнее. Первое хранится в самом объекте ConcreteFlyweight. Внешнее состояние хранится или вычисляется клиентами. Клиент передает его приспособленцу при вызове операций. Клиенты не должны создавать экземпляры класса ConcreteFlyweight напрямую, а могут получать их только от объекта FlyweightFactory. Это позволит гарантировать корректное разделение.

Реализация

1) Вынесение внешнего состояния. Применимость паттерна в значительной степени зависит от того, насколько легко идентифицировать внешнее состояние и вынести его за пределы разделяемых объектов. Вынесение внешнего состояния не уменьшает стоимости хранения, если различных внешних состояний так же много, как и объектов до разделения. Лучший вариант - внешнее состояние вычисляется по объектам с другой структурой, требующей значительно меньшей памяти. Например, в нашем редакторе документов мы можем поместить карту с типографской информацией в отдельную структуру, а не хранить шрифт и начертание вместе с каждым символом. Данная карта будет отслеживать непрерывные серии символов с одинаковыми типографскими атрибутами. Когда объект-символ изображает себя, он получает типографские атрибуты от алгоритма обхода. Поскольку обычно в документах используется немного разных шрифтов и начертаний, то хранить эту информацию отдельно от объекта-символа гораздо эффективнее, чем непосредственно в нем;

2) Управление разделяемыми объектами. Так как объекты разделяются, клиенты не должны инстанцировать их напрямую. Фабрика FlyweightFactory позволяет клиентам найти подходящего приспособленца. В объектах этого класса часто есть хранилище, организованное в виде ассоциативного массива, с помощью которого можно быстро находить приспособленца, нужного клиенту. Так, в примере редактора документов фабрика приспособленцев может содержать внутри себя таблицу, индексированную кодом символа, и возвращать нужного приспособленца по его коду. А если требуемый приспособленец отсутствует, он тут же создается. Разделяемость подразумевает также, что имеется некоторая форма подсчета ссылок или сбора мусора для освобождения занимаемой приспособленцем памяти, когда необходимость в нем отпадает. Однако ни то, ни другое необязательно, если число приспособленцев фиксировано и невелико (например, если речь идет о представлении набора символов кода ASCII). В таком случае имеет смысл хранить приспособленцев постоянно.

Применение в Java API

Java использует шаблон Flyweight для управления объектами String, которые применяются для представления строковых литералов. Если в программе имеется более одного строкового литерала и эти литералы содержат одну и туже последовательность символов, то Java использует один и тот же объект String для представления всех этих литералов. Метод intern класса String отвечает за управление объектами Sring, которые используются для представления строковых литералов.

Паттерн Proxy.