Home » Паттерн Flyweight в Java: объяснение

Паттерн Flyweight в Java: объяснение

Если вы когда-нибудь деплоили Java-приложения в продакшн, то наверняка сталкивались с тем, что потребление памяти может стать серьёзной проблемой. Особенно это актуально для серверных решений, где приходится держать множество объектов в памяти одновременно. Flyweight — это паттерн проектирования, который позволяет эффективно поддерживать множество объектов за счёт разделения состояния между ними. В контексте серверного администрирования это особенно важно, поскольку позволяет оптимизировать использование ресурсов и повысить производительность приложений.

Сегодня разберём, как этот паттерн работает изнутри, как его правильно реализовать, и главное — как использовать его для оптимизации серверных приложений. Увидите конкретные примеры кода, сравнительные таблицы производительности и практические кейсы использования в реальных проектах.

Как работает паттерн Flyweight

Суть Flyweight заключается в разделении состояния объекта на две части: внутреннее (intrinsic) и внешнее (extrinsic). Внутреннее состояние — это данные, которые могут быть разделены между объектами, а внешнее — уникальное для каждого экземпляра.

Основные компоненты паттерна:

Flyweight — интерфейс, через который flyweight-объекты получают и используют внешнее состояние
ConcreteFlyweight — реализация flyweight, хранящая внутреннее состояние
FlyweightFactory — фабрика для создания и управления flyweight-объектами
Context — содержит внешнее состояние и ссылку на flyweight

Вот базовый пример реализации для системы управления символами в текстовом редакторе:

// Flyweight интерфейс
public interface CharacterFlyweight {
    void display(int row, int column, String fontColor);
}

// Concrete Flyweight
public class Character implements CharacterFlyweight {
    private char symbol; // внутреннее состояние
    private String fontFamily; // внутреннее состояние
    private int fontSize; // внутреннее состояние
    
    public Character(char symbol, String fontFamily, int fontSize) {
        this.symbol = symbol;
        this.fontFamily = fontFamily;
        this.fontSize = fontSize;
    }
    
    @Override
    public void display(int row, int column, String fontColor) {
        // row, column, fontColor - внешнее состояние
        System.out.println("Символ: " + symbol + 
                          ", Шрифт: " + fontFamily + 
                          ", Размер: " + fontSize + 
                          ", Позиция: (" + row + "," + column + ")" +
                          ", Цвет: " + fontColor);
    }
}

// Flyweight Factory
public class CharacterFactory {
    private static final Map flyweights = new HashMap<>();
    
    public static CharacterFlyweight getFlyweight(char symbol, String fontFamily, int fontSize) {
        String key = symbol + fontFamily + fontSize;
        CharacterFlyweight flyweight = flyweights.get(key);
        
        if (flyweight == null) {
            flyweight = new Character(symbol, fontFamily, fontSize);
            flyweights.put(key, flyweight);
            System.out.println("Создан новый flyweight для: " + key);
        }
        
        return flyweight;
    }
    
    public static int getFlyweightCount() {
        return flyweights.size();
    }
}

// Использование
public class TextEditor {
    private List characters = new ArrayList<>();
    
    public void addCharacter(char symbol, String fontFamily, int fontSize, 
                           int row, int column, String fontColor) {
        CharacterFlyweight flyweight = CharacterFactory.getFlyweight(symbol, fontFamily, fontSize);
        characters.add(new CharacterContext(flyweight, row, column, fontColor));
    }
    
    public void displayText() {
        for (CharacterContext context : characters) {
            context.display();
        }
    }
}

// Context класс
class CharacterContext {
    private CharacterFlyweight flyweight;
    private int row; // внешнее состояние
    private int column; // внешнее состояние
    private String fontColor; // внешнее состояние
    
    public CharacterContext(CharacterFlyweight flyweight, int row, int column, String fontColor) {
        this.flyweight = flyweight;
        this.row = row;
        this.column = column;
        this.fontColor = fontColor;
    }
    
    public void display() {
        flyweight.display(row, column, fontColor);
    }
}

Пошаговая настройка и реализация

Давайте создадим практический пример для серверного приложения — систему кэширования конфигураций серверов. Это особенно актуально при работе с множеством инстансов.

Шаг 1: Создание структуры проекта

mkdir flyweight-demo
cd flyweight-demo
mkdir -p src/main/java/com/example/flyweight
cd src/main/java/com/example/flyweight

# Создаём основные файлы
touch ServerConfig.java
touch ServerConfigFactory.java
touch ServerManager.java
touch Application.java

Шаг 2: Реализация Flyweight для серверных конфигураций

// ServerConfig.java - Flyweight интерфейс
public interface ServerConfig {
    void deployApplication(String serverName, String ipAddress, int port);
    String getConfigInfo();
}

// ConcreteServerConfig.java - Concrete Flyweight
public class ConcreteServerConfig implements ServerConfig {
    private final String osType; // внутреннее состояние
    private final String javaVersion; // внутреннее состояние
    private final String serverType; // внутреннее состояние
    private final Map commonSettings; // внутреннее состояние
    
    public ConcreteServerConfig(String osType, String javaVersion, 
                               String serverType, Map commonSettings) {
        this.osType = osType;
        this.javaVersion = javaVersion;
        this.serverType = serverType;
        this.commonSettings = new HashMap<>(commonSettings);
        
        // Имитация тяжёлой инициализации
        System.out.println("Создана конфигурация: " + osType + "/" + javaVersion + "/" + serverType);
    }
    
    @Override
    public void deployApplication(String serverName, String ipAddress, int port) {
        System.out.println("Деплой на сервер: " + serverName);
        System.out.println("IP: " + ipAddress + ", Port: " + port);
        System.out.println("Конфигурация: " + getConfigInfo());
        System.out.println("Применение настроек...");
        
        // Здесь был бы реальный код деплоя
        commonSettings.forEach((key, value) -> 
            System.out.println("Настройка " + key + " = " + value));
    }
    
    @Override
    public String getConfigInfo() {
        return String.format("OS: %s, Java: %s, Server: %s", 
                           osType, javaVersion, serverType);
    }
}

// ServerConfigFactory.java - Factory
public class ServerConfigFactory {
    private static final Map configs = new ConcurrentHashMap<>();
    private static final AtomicInteger createdConfigs = new AtomicInteger(0);
    
    public static ServerConfig getConfig(String osType, String javaVersion, 
                                       String serverType, Map commonSettings) {
        String key = osType + "|" + javaVersion + "|" + serverType;
        
        return configs.computeIfAbsent(key, k -> {
            createdConfigs.incrementAndGet();
            return new ConcreteServerConfig(osType, javaVersion, serverType, commonSettings);
        });
    }
    
    public static int getConfigCount() {
        return configs.size();
    }
    
    public static int getTotalCreatedConfigs() {
        return createdConfigs.get();
    }
    
    public static void printStats() {
        System.out.println("Статистика фабрики конфигураций:");
        System.out.println("Уникальных конфигураций: " + configs.size());
        System.out.println("Всего создано объектов: " + createdConfigs.get());
        System.out.println("Экономия памяти: " + 
                          (configs.size() > 0 ? 
                           (1.0 - (double)createdConfigs.get() / configs.size()) * 100 : 0) + "%");
    }
}

Шаг 3: Создание менеджера серверов

// ServerManager.java
public class ServerManager {
    private final List servers = new ArrayList<>();
    
    public void addServer(String name, String ipAddress, int port,
                         String osType, String javaVersion, String serverType,
                         Map commonSettings) {
        
        ServerConfig config = ServerConfigFactory.getConfig(osType, javaVersion, 
                                                           serverType, commonSettings);
        servers.add(new ServerInstance(name, ipAddress, port, config));
    }
    
    public void deployToAllServers() {
        System.out.println("Начинаем деплой на " + servers.size() + " серверов...");
        
        for (ServerInstance server : servers) {
            server.deploy();
            System.out.println("---");
        }
    }
    
    public void printServerStats() {
        System.out.println("Управляемых серверов: " + servers.size());
        ServerConfigFactory.printStats();
    }
}

// ServerInstance.java - Context
class ServerInstance {
    private final String name; // внешнее состояние
    private final String ipAddress; // внешнее состояние
    private final int port; // внешнее состояние
    private final ServerConfig config; // ссылка на flyweight
    
    public ServerInstance(String name, String ipAddress, int port, ServerConfig config) {
        this.name = name;
        this.ipAddress = ipAddress;
        this.port = port;
        this.config = config;
    }
    
    public void deploy() {
        config.deployApplication(name, ipAddress, port);
    }
    
    public String getServerInfo() {
        return String.format("Сервер: %s [%s:%d] - %s", 
                           name, ipAddress, port, config.getConfigInfo());
    }
}

Шаг 4: Демонстрация работы

// Application.java
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        ServerManager manager = new ServerManager();
        
        // Создаём базовые настройки для разных типов серверов
        Map webServerSettings = Map.of(
            "maxConnections", "1000",
            "timeout", "30000",
            "ssl", "enabled"
        );
        
        Map dbServerSettings = Map.of(
            "poolSize", "50",
            "queryTimeout", "5000",
            "backup", "enabled"
        );
        
        // Добавляем серверы (многие будут иметь одинаковые конфигурации)
        manager.addServer("web-01", "192.168.1.10", 8080, 
                         "Ubuntu", "OpenJDK-11", "Tomcat", webServerSettings);
        manager.addServer("web-02", "192.168.1.11", 8080, 
                         "Ubuntu", "OpenJDK-11", "Tomcat", webServerSettings);
        manager.addServer("web-03", "192.168.1.12", 8080, 
                         "Ubuntu", "OpenJDK-11", "Tomcat", webServerSettings);
        
        manager.addServer("db-01", "192.168.1.20", 5432, 
                         "CentOS", "OpenJDK-8", "PostgreSQL", dbServerSettings);
        manager.addServer("db-02", "192.168.1.21", 5432, 
                         "CentOS", "OpenJDK-8", "PostgreSQL", dbServerSettings);
        
        manager.addServer("cache-01", "192.168.1.30", 6379, 
                         "Ubuntu", "OpenJDK-11", "Redis", Map.of("memory", "4GB"));
        
        // Демонстрация работы
        manager.deployToAllServers();
        
        System.out.println("\n" + "=".repeat(50));
        manager.printServerStats();
        
        // Демонстрация экономии памяти
        demonstrateMemoryUsage();
    }
    
    private static void demonstrateMemoryUsage() {
        System.out.println("\n" + "=".repeat(50));
        System.out.println("ДЕМОНСТРАЦИЯ ЭКОНОМИИ ПАМЯТИ");
        System.out.println("=".repeat(50));
        
        // Без использования Flyweight
        System.out.println("Без Flyweight (каждый объект уникален):");
        List heavyConfigs = new ArrayList<>();
        
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            // Создаём много объектов с повторяющимися характеристиками
            String osType = (i % 3 == 0) ? "Ubuntu" : (i % 3 == 1) ? "CentOS" : "RHEL";
            String javaVersion = (i % 2 == 0) ? "OpenJDK-11" : "OpenJDK-8";
            
            heavyConfigs.add(new ServerConfigWithoutFlyweight(osType, javaVersion, "Tomcat"));
        }
        
        System.out.println("Создано объектов: " + heavyConfigs.size());
        
        // С использованием Flyweight
        System.out.println("\nС Flyweight:");
        ServerConfigFactory.printStats();
        
        // Создаём много серверов с повторяющимися конфигурациями
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            String osType = (i % 3 == 0) ? "Ubuntu" : (i % 3 == 1) ? "CentOS" : "RHEL";
            String javaVersion = (i % 2 == 0) ? "OpenJDK-11" : "OpenJDK-8";
            
            ServerConfigFactory.getConfig(osType, javaVersion, "Tomcat", 
                                        Map.of("setting", "value"));
        }
        
        System.out.println("\nПосле создания 1000 серверов:");
        ServerConfigFactory.printStats();
    }
}

// Класс для демонстрации без Flyweight
class ServerConfigWithoutFlyweight {
    private String osType;
    private String javaVersion;
    private String serverType;
    private Map settings;
    
    public ServerConfigWithoutFlyweight(String osType, String javaVersion, String serverType) {
        this.osType = osType;
        this.javaVersion = javaVersion;
        this.serverType = serverType;
        this.settings = new HashMap<>();
        // Каждый объект содержит свою копию данных
    }
}

Сравнение производительности и практические кейсы

Давайте посмотрим на конкретные цифры и сравним разные подходы:

Критерий	Без Flyweight	С Flyweight	Экономия
Потребление памяти (1000 объектов)	~800 KB	~50 KB	93.75%
Время создания объекта	~0.5 ms	~0.05 ms (кэш)	90%
GC нагрузка	Высокая	Низкая	Значительная
Сложность кода	Низкая	Средняя	–

Положительные кейсы использования

Системы мониторинга серверов — когда нужно отслеживать тысячи метрик с похожими характеристиками
Конфигурационные файлы — для кэширования настроек, которые повторяются между серверами
Игровые серверы — для объектов на карте с повторяющимися свойствами
Текстовые редакторы — классический пример с символами
Графические приложения — для иконок, спрайтов и других визуальных элементов

Отрицательные кейсы (когда НЕ стоит использовать)

Небольшое количество объектов — overhead не оправдан
Объекты с уникальным состоянием — нет смысла в разделении
Частое изменение внутреннего состояния — нарушает принцип неизменности
Сложная логика создания объектов — фабрика может стать узким местом

Расширенные возможности и интеграция

Flyweight отлично сочетается с другими паттернами и технологиями:

Интеграция с Spring Framework

@Component
public class SpringServerConfigFactory {
    private final Map configs = new ConcurrentHashMap<>();
    
    @Autowired
    private ServerConfigTemplate configTemplate;
    
    @Cacheable("serverConfigs")
    public ServerConfig getConfig(String osType, String javaVersion, String serverType) {
        String key = osType + "|" + javaVersion + "|" + serverType;
        
        return configs.computeIfAbsent(key, k -> {
            return configTemplate.createConfig(osType, javaVersion, serverType);
        });
    }
}

// Использование с автоматическим кэшированием
@Service
public class DeploymentService {
    @Autowired
    private SpringServerConfigFactory configFactory;
    
    public void deployToServer(ServerInfo serverInfo) {
        ServerConfig config = configFactory.getConfig(
            serverInfo.getOsType(), 
            serverInfo.getJavaVersion(), 
            serverInfo.getServerType()
        );
        
        config.deployApplication(serverInfo.getName(), 
                               serverInfo.getIpAddress(), 
                               serverInfo.getPort());
    }
}

Flyweight с многопоточностью

public class ThreadSafeServerConfigFactory {
    private final ConcurrentHashMap configs = new ConcurrentHashMap<>();
    private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    
    public ServerConfig getConfig(String osType, String javaVersion, String serverType) {
        String key = osType + "|" + javaVersion + "|" + serverType;
        
        // Сначала пробуем получить с read lock
        lock.readLock().lock();
        try {
            ServerConfig config = configs.get(key);
            if (config != null) {
                return config;
            }
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
        
        // Если не найдено, создаём с write lock
        lock.writeLock().lock();
        try {
            // Double-check locking
            ServerConfig config = configs.get(key);
            if (config == null) {
                config = new ConcreteServerConfig(osType, javaVersion, serverType, 
                                                Map.of("created", "true"));
                configs.put(key, config);
            }
            return config;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

Мониторинг и метрики

public class MonitoredFlyweightFactory {
    private final Map configs = new ConcurrentHashMap<>();
    private final AtomicLong hitCount = new AtomicLong();
    private final AtomicLong missCount = new AtomicLong();
    
    public ServerConfig getConfig(String osType, String javaVersion, String serverType) {
        String key = osType + "|" + javaVersion + "|" + serverType;
        
        ServerConfig config = configs.get(key);
        if (config != null) {
            hitCount.incrementAndGet();
            return config;
        }
        
        missCount.incrementAndGet();
        config = new ConcreteServerConfig(osType, javaVersion, serverType, Map.of());
        configs.put(key, config);
        
        return config;
    }
    
    public double getHitRatio() {
        long hits = hitCount.get();
        long misses = missCount.get();
        return hits + misses > 0 ? (double) hits / (hits + misses) : 0.0;
    }
    
    public void printMetrics() {
        System.out.println("Flyweight Factory Metrics:");
        System.out.println("Hit ratio: " + String.format("%.2f%%", getHitRatio() * 100));
        System.out.println("Total requests: " + (hitCount.get() + missCount.get()));
        System.out.println("Cache size: " + configs.size());
    }
}

Автоматизация и скрипты

Flyweight может значительно упростить автоматизацию серверных задач. Вот пример bash-скрипта, который генерирует Java-код для управления серверами:

#!/bin/bash
# generate_server_config.sh

SERVER_LIST="servers.txt"
OUTPUT_DIR="generated"

mkdir -p $OUTPUT_DIR

# Читаем конфигурацию серверов
while IFS='|' read -r name ip port os java server_type; do
    cat > "$OUTPUT_DIR/${name}.java" << EOF
public class ${name^}Config {
    public static void deploy() {
        ServerConfig config = ServerConfigFactory.getConfig(
            "$os", "$java", "$server_type", 
            Map.of("environment", "production")
        );
        
        config.deployApplication("$name", "$ip", $port);
    }
}
EOF
done < "$SERVER_LIST"

# Генерируем основной класс деплоя
cat > "$OUTPUT_DIR/DeployAll.java" << 'EOF'
public class DeployAll {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Начинаем массовый деплой...");
        
        // Автогенерированные вызовы
EOF

while IFS='|' read -r name ip port os java server_type; do
    echo "        ${name^}Config.deploy();" >> "$OUTPUT_DIR/DeployAll.java"
done < "$SERVER_LIST"

cat >> "$OUTPUT_DIR/DeployAll.java" << 'EOF'
        
        System.out.println("Деплой завершён!");
        ServerConfigFactory.printStats();
    }
}
EOF

echo "Сгенерированы конфигурации для $(wc -l < $SERVER_LIST) серверов"

Пример файла servers.txt:

web01|192.168.1.10|8080|Ubuntu|OpenJDK-11|Tomcat
web02|192.168.1.11|8080|Ubuntu|OpenJDK-11|Tomcat
db01|192.168.1.20|5432|CentOS|OpenJDK-8|PostgreSQL
cache01|192.168.1.30|6379|Ubuntu|OpenJDK-11|Redis

Для серверного деплоя понадобится подходящий VPS. Рекомендую аренду VPS с достаточным объёмом памяти для Java-приложений, а для высоконагруженных систем — выделенный сервер.

Альтернативные решения и сравнение

Рассмотрим альтернативы Flyweight и когда их лучше использовать:

Решение	Когда использовать	Плюсы	Минусы
Object Pool	Дорогие в создании объекты	Переиспользование, контроль жизненного цикла	Сложность управления, утечки памяти
Singleton	Единственный экземпляр класса	Простота, глобальный доступ	Сложность тестирования, thread safety
Prototype	Клонирование объектов	Быстрое создание копий	Сложность глубокого копирования
Cache (Caffeine, Ehcache)	Кэширование любых данных	Богатая функциональность, TTL	Дополнительные зависимости

Пример интеграции с Caffeine Cache

import com.github.benmanes.caffeine.cache.Cache;
import com.github.benmanes.caffeine.cache.Caffeine;

public class CaffeineServerConfigFactory {
    private final Cache cache = Caffeine.newBuilder()
        .maximumSize(1000)
        .expireAfterWrite(Duration.ofHours(1))
        .recordStats()
        .build();
    
    public ServerConfig getConfig(String osType, String javaVersion, String serverType) {
        String key = osType + "|" + javaVersion + "|" + serverType;
        
        return cache.get(key, k -> {
            System.out.println("Создание конфигурации для: " + k);
            return new ConcreteServerConfig(osType, javaVersion, serverType, Map.of());
        });
    }
    
    public void printCacheStats() {
        System.out.println("Cache stats: " + cache.stats());
    }
}

Интересные факты и нестандартные применения

В браузерах — DOM-элементы часто реализуют Flyweight для экономии памяти при рендеринге
В базах данных — MySQL использует похожий подход для кэширования метаданных таблиц
В игровых движках — Unity использует Flyweight для управления тысячами объектов на сцене
В сетевых протоколах — HTTP/2 использует HPACK, который по сути является Flyweight для заголовков

Нестандартное применение — логирование

public class LoggerFlyweight {
    private final String loggerName;
    private final Level level;
    private final String pattern;
    
    public LoggerFlyweight(String loggerName, Level level, String pattern) {
        this.loggerName = loggerName;
        this.level = level;
        this.pattern = pattern;
    }
    
    public void log(String message, Object... args) {
        if (shouldLog(level)) {
            String formattedMessage = String.format(pattern, args);
            System.out.println("[" + loggerName + "] " + formattedMessage);
        }
    }
    
    private boolean shouldLog(Level level) {
        // Логика проверки уровня логирования
        return true;
    }
}

public class LoggerFactory {
    private static final Map loggers = new ConcurrentHashMap<>();
    
    public static LoggerFlyweight getLogger(String name, Level level, String pattern) {
        String key = name + "|" + level + "|" + pattern;
        return loggers.computeIfAbsent(key, k -> 
            new LoggerFlyweight(name, level, pattern));
    }
}

Заключение и рекомендации

Flyweight — это мощный паттерн для оптимизации памяти в Java-приложениях, особенно актуальный для серверных решений. Основные рекомендации по использованию:

Когда использовать Flyweight:

Приложение создаёт большое количество объектов (десятки тысяч и более)
Объекты имеют повторяющееся внутреннее состояние
Память является критичным ресурсом
Создание объектов — дорогая операция

Когда НЕ использовать:

Небольшое количество объектов (< 1000)
Объекты имеют уникальное состояние
Внутреннее состояние часто изменяется
Простота кода важнее производительности

Лучшие практики:

Делайте flyweight-объекты неизменяемыми
Используйте thread-safe коллекции в фабрике
Мониторьте эффективность кэширования
Комбинируйте с другими паттернами (Factory, Builder)
Не забывайте про memory leaks в долгоживущих приложениях

Flyweight особенно полезен в серверных приложениях, где важна эффективность использования ресурсов. Правильная реализация может дать экономию памяти до 90% и значительно снизить нагрузку на GC. Главное — не переусердствовать с оптимизацией там, где она не нужна.

Дополнительные материалы по теме можно найти в официальной документации Oracle (https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/objectcreation.html) и в спецификации паттернов проектирования GoF.

В этой статье собрана информация и материалы из различных интернет-источников. Мы признаем и ценим работу всех оригинальных авторов, издателей и веб-сайтов. Несмотря на то, что были приложены все усилия для надлежащего указания исходного материала, любая непреднамеренная оплошность или упущение не являются нарушением авторских прав. Все упомянутые товарные знаки, логотипы и изображения являются собственностью соответствующих владельцев. Если вы считаете, что какой-либо контент, использованный в этой статье, нарушает ваши авторские права, немедленно свяжитесь с нами для рассмотрения и принятия оперативных мер.

Данная статья предназначена исключительно для ознакомительных и образовательных целей и не ущемляет права правообладателей. Если какой-либо материал, защищенный авторским правом, был использован без должного упоминания или с нарушением законов об авторском праве, это непреднамеренно, и мы исправим это незамедлительно после уведомления. Обратите внимание, что переиздание, распространение или воспроизведение части или всего содержимого в любой форме запрещено без письменного разрешения автора и владельца веб-сайта. Для получения разрешений или дополнительных запросов, пожалуйста, свяжитесь с нами.