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Flyweight

Também conhecido como: Peso mosca, Cache

Propósito

O Flyweight é um padrão de projeto estrutural que permite a você colocar mais objetos na quantidade de RAM disponível ao compartilhar partes comuns de estado entre os múltiplos objetos ao invés de manter todos os dados em cada objeto.

Padrão de projeto Flyweight

Problema

Para se divertir após longas horas de trabalho você decide criar um jogo simples: os jogadores estarão se movendo em um mapa e atirado uns aos outros. Você escolhe implementar um sistema de partículas realístico e faz dele uma funcionalidade distinta do jogo. Uma grande quantidades de balas, mísseis, e estilhaços de explosões devem voar por todo o mapa e entregar adrenalina para o jogador.

Ao completar, você sobe suas últimas mudanças, constrói o jogo e manda ele para um amigo para um test drive. Embora o jogo tenha rodado impecavelmente na sua máquina, seu amigo não foi capaz de jogar por muito tempo. No computador dele, o jogo continuava quebrando após alguns minutos de gameplay. Após algumas horas pesquisando nos registros do jogo você descobre que ele quebrou devido a uma quantidade insuficiente de RAM. Acontece que a máquina do seu amigo é muito menos poderosa que o seu computador, e é por isso que o problema apareceu facilmente na máquina dele.

O verdadeiro problema está relacionado ao seu sistema de partículas. Cada partícula, tais como uma bala, um míssil, ou um estilhaço era representado por um objeto separado contendo muita informação. Em algum momento, quando a destruição na tela do jogadora era tanta, as novas partículas criadas não cabiam mais no RAM restante, então o programa quebrava.

Problema do padrão Flyweight

Solução

Olhando de perto a classe Partícula, você pode notar que a cor e o campo sprite consomem muita memória se comparado aos demais campos. E o pior é que esses dois campos armazenam dados quase idênticos para todas as partículas. Por exemplo, todas as balas têm a mesma cor e sprite.

Solução do padrão Flyweight

Outras partes do estado de uma partícula, tais como coordenadas, vetor de movimento e velocidade, são únicos para cada partícula. Afinal de contas, todos os valores desses campos mudam com o tempo. Esses dados representam todo o contexto de mudança na qual a partícula existe, enquanto que a cor e o sprite permanecem constante para cada partícula.

Esse dado constante de um objeto é usualmente chamado de estado intrínseco. Ele vive dentro do objeto; outros objetos só podem lê-lo, não mudá-lo. O resto do estado do objeto, quase sempre alterado “pelo lado de fora” por outros objetos é chamado estado extrínseco.

O padrão Flyweight sugere que você pare de armazenar o estado extrínseco dentro do objeto. Ao invés disso, você deve passar esse estado para métodos específicos que dependem dele. Somente o estado intrínseco fica dentro do objeto, permitindo que você o reutilize em diferentes contextos. Como resultado, você vai precisar de menos desses objetos uma vez que eles diferem apenas em seu estado intrínseco, que tem menos variações que o extrínseco.

Solução do padrão Flyweight

Vamos voltar ao nosso jogo. Assumindo que extraímos o estado extrínseco de nossa classe de partículas, somente três diferentes objetos serão suficientes para representar todas as partículas no jogo: uma bala, um míssil, e um pedaço de estilhaço. Como você provavelmente já adivinhou, um objeto que apenas armazena o estado intrínseco é chamado de um flyweight.

Armazenamento do estado extrínseco

Para onde vai o estado extrínseco então? Algumas classes ainda devem ser capazes de armazená-lo, certo? Na maioria dos casos, ele é movido para o objeto contêiner, que agrega os objetos antes de aplicarmos o padrão.

No nosso caso, esse seria o objeto principal Jogo que armazena todas as partículas no campo partículas. Para mover o estado extrínseco para essa classe você precisa criar diversos campos array para armazenar coordenadas, vetores, e a velocidade de cada partícula individual. Mas isso não é tudo. Você vai precisar de outra array para armazenar referências ao flyweight específico que representa a partícula. Essas arrays devem estar em sincronia para que você possa acessar todos os dados de uma partícula usando o mesmo índice.

Solução padrão flyweight

Uma solução mais elegante é criar uma classe de contexto separada que armazenaria o estado extrínseco junto com a referência para o objeto flyweight. Essa abordagem precisaria apenas de uma única array na classe contêiner.

Calma aí! Não vamos precisar de tantos objetos contextuais como tínhamos no começo? Tecnicamente, sim, mas nesse caso, esses objetos são muito menores que antes. Os campos mais pesados foram movidos para alguns poucos objetos flyweight. Agora, milhares de objetos contextuais podem reutilizar um único objeto flyweight pesado ao invés de armazenar milhares de cópias de seus dados.

Flyweight e a imutabilidade

Já que o mesmo objeto flyweight pode ser usado em diferentes contextos, você tem que certificar-se que seu estado não pode ser modificado. Um flyweight deve inicializar seu estado apenas uma vez, através dos parâmetros do construtor. Ele não deve expor qualquer setter ou campos públicos para outros objetos.

Fábrica Flyweight

Para um acesso mais conveniente para vários flyweights, você pode criar um método fábrica que gerencia um conjunto de objetos flyweight existentes. O método aceita o estado intrínseco do flyweight desejado por um cliente, procura por um objeto flyweight existente que coincide com esse estado, e retorna ele se for encontrado. Se não for, ele cria um novo flyweight e o adiciona ao conjunto.

Há várias opções onde esse método pode ser colocado. O lugar mais óbvio é um contêiner de flyweights. Alternativamente você pode criar uma nova classe fábrica. Ou você pode fazer o método fábrica ser estático e colocá-lo dentro da própria classe do flyweight.

Estrutura

Estrutura do padrão de projeto FlyweightEstrutura do padrão de projeto Flyweight
  1. O padrão Flyweight é somente uma optimização. Antes de aplicá-lo, certifique-se que seu programa tem mesmo um problema de consumo de RAM relacionado a existência de múltiplos objetos similares na memória ao mesmo tempo. Certifique-se que o problema não possa ser resolvido por outra forma relevante.

  2. A classe Flyweight contém a porção do estado do objeto original que pode ser compartilhada entre múltiplos objetos. O mesmo objeto flyweight pode ser usado em muitos contextos diferentes. O estado armazenado dentro de um flyweight é chamado “intrínseco”. O estado passado pelos métodos flyweight é chamado “extrínseco”.

  3. A classe Contexto contém o estado extrínseco, único para todos os objetos originais. Quando um contexto é pareado com um dos objetos flyweight, ele representa o estado completo do objeto original.

  4. Geralmente, o comportamento do objeto original permanece na classe flyweight. Nesse caso, quem chamar o método do flyweight deve também passar os dados apropriados do estado extrínseco nos parâmetros do método. Por outro lado, o comportamento pode ser movido para a classe contexto, que usaria o flyweight meramente como um objeto de dados.

  5. O Cliente calcula ou armazena o estado extrínseco dos flyweights. Da perspectiva do cliente, um flyweight é um objeto modelo que pode ser configurado no momento da execução ao passar alguns dados de contexto nos parâmetros de seus métodos.

  6. A Fábrica Flyweight gerencia um conjunto de flyweights existentes. Com a fábrica os clientes não precisam criar flyweights diretamente. Ao invés disso, eles chamam a fábrica, passam os dados de estado intrínseco para o flyweight desejado. A fábrica procura por flyweights já criados e então retorna um existe que coincide o critério de busca ou cria um novo se nada for encontrado.

Pseudocódigo

Neste exemplo o padrão Flyweight ajuda a reduzir o uso de memória quando renderizando milhões de objetos árvore em uma tela.

Exemplo do padrão Flyweight

O padrão extrai o estado intrínseco repetido para um classe Árvore principal e o move para dentro da classe flyweight TipoÁrvore.

Agora ao invés de armazenar os mesmos dados em múltiplos objetos, ele armazena apenas alguns objetos flyweight e os liga aos objetos Árvore apropriados que agem como contexto. O código cliente cria novos objetos árvore usando a fábrica flyweight, que encapsula a complexidade de busca pelo objeto correto e o reutiliza se necessário.

// A classe flyweight contém uma parte do estado de uma árvore
// Esses campos armazenam valores que são únicos para cada
// árvore em particular. Por exemplo, você não vai encontrar
// coordenadas da árvore aqui. Já que esses dados geralmente são
// GRANDES, você gastaria muita memória mantendo-os em cada
// objeto árvore. Ao invés disso, nós podemos extrair a textura,
// cor e outros dados repetitivos em um objeto separado os quais
// muitas árvores individuais podem referenciar.
class TreeType is
    field name
    field color
    field texture
    constructor TreeType(name, color, texture) { ... }
    method draw(canvas, x, y) is
        // 1. Cria um bitmap de certo tipo, cor e textura.
        // 2. Desenha o bitmap em uma tela nas coordenadas X e
        // Y.

// A fábrica flyweight decide se reutiliza o flyweight existente
// ou cria um novo objeto.
class TreeFactory is
    static field treeTypes: collection of tree types
    static method getTreeType(name, color, texture) is
        type = treeTypes.find(name, color, texture)
        if (type == null)
            type = new TreeType(name, color, texture)
            treeTypes.add(type)
        return type

// O objeto contextual contém a parte extrínseca do estado da
// árvore. Uma aplicação pode criar bilhões desses estados, já
// que são muito pequenos:
// apenas dois números inteiros para coordenadas e um campo de
// referência.
class Tree is
    field x,y
    field type: TreeType
    constructor Tree(x, y, type) { ... }
    method draw(canvas) is
        type.draw(canvas, this.x, this.y)

// As classes Tree (Árvore) e Forest (Floresta) são os clientes
// flyweight. Você pode uni-las se não planeja desenvolver mais
// a classe Tree.
class Forest is
    field trees: collection of Trees

    method plantTree(x, y, name, color, texture) is
        type = TreeFactory.getTreeType(name, color, texture)
        tree = new Tree(x, y, type)
        trees.add(tree)

    method draw(canvas) is
        foreach (tree in trees) do
            tree.draw(canvas)

Aplicabilidade

Utilize o padrão Flyweight apenas quando seu programa deve suportar um grande número de objetos que mal cabem na RAM disponível.

O benefício de aplicar o padrão depende muito de como e onde ele é usado. Ele é mais útil quando:

  • uma aplicação precisa gerar um grande número de objetos similares
  • isso drena a RAM disponível no dispositivo alvo
  • os objetos contém estados duplicados que podem ser extraídos e compartilhados entre múltiplos objetos

Como implementar

  1. Divida os campos de uma classe que irá se tornar um flyweight em duas partes:

    • o estado intrínseco: os campos que contém dados imutáveis e duplicados para muitos objetos
    • o estado extrínseco: os campos que contém dados contextuais únicos para cada objeto
  2. Deixe os campos que representam o estado intrínseco dentro da classe, mas certifique-se que eles sejam imutáveis. Eles só podem obter seus valores iniciais dentro do construtor.

  3. Examine os métodos que usam os campos do estado extrínseco. Para cada campo usado no método, introduza um novo parâmetro e use-o ao invés do campo.

  4. Opcionalmente, crie uma classe fábrica para gerenciar o conjunto de flyweights. Ela deve checar por um flyweight existente antes de criar um novo. Uma vez que a fábrica está rodando, os clientes devem pedir flyweights apenas através dela. Eles devem descrever o flyweight desejado ao passar o estado intrínseco para a fábrica.

  5. O cliente deve armazenar ou calcular valores para o estado extrínseco (contexto) para ser capaz de chamar métodos de objetos flyweight. Por conveniência, o estado extrínseco junto com o campo de referência flyweight podem ser movidos para uma classe de contexto separada.

Prós e contras

  • Você pode economizar muita RAM, desde que seu programa tenha muitos objetos similares.
  • Você pode estar trocando RAM por ciclos de CPU quando parte dos dados de contexto precisa ser recalculado cada vez que alguém chama um método flyweight.
  • O código fica muito mais complicado. Novos membros de equipe sempre se perguntarão por que o estado de uma entidade foi separado de tal forma.

Relações com outros padrões

  • Você pode implementar nós folha compartilhados da árvore Composite como Flyweights para salvar RAM.

  • O Flyweight mostra como fazer vários pequenos objetos, enquanto o Facade mostra como fazer um único objeto que represente um subsistema inteiro.

  • O Flyweight seria parecido com o Singleton se você, de algum modo, reduzisse todos os estados de objetos compartilhados para apenas um objeto flyweight. Mas há duas mudanças fundamentais entre esses padrões:

    1. Deve haver apenas uma única instância singleton, enquanto que uma classe flyweight pode ter múltiplas instâncias com diferentes estados intrínsecos.
    2. O objeto singleton pode ser mutável. Objetos flyweight são imutáveis.

Exemplos de código

Padrões de Projeto: Flyweight em Java Padrões de Projeto: Flyweight em C# Padrões de Projeto: Flyweight em C++ Padrões de Projeto: Flyweight em PHP Padrões de Projeto: Flyweight em Python Padrões de Projeto: Flyweight em Ruby Padrões de Projeto: Flyweight em Swift Padrões de Projeto: Flyweight em TypeScript Padrões de Projeto: Flyweight em Go