Flyweight

Visão Geral

Flyweight reduz o consumo de memória compartilhando o estado comum entre muitos objetos semelhantes.

É explicitamente uma otimização, e a única do catálogo do GoF que é. Isso muda como ele deve ser tratado: aplicar sem medição antes é o erro por definição.

Problema

O sistema precisa de um número muito grande de objetos, e a memória não comporta.

O exemplo original é um editor de texto que representa cada caractere como objeto. Um documento com um milhão de caracteres teria um milhão de objetos, cada um com fonte, tamanho, cor e posição.

A observação que resolve: a maior parte do estado é repetida. Milhares de caracteres compartilham a mesma fonte e o mesmo tamanho; o que difere é a posição e o próprio caractere.

Conceitos Centrais

Estado intrínseco e extrínseco

A separação que define o padrão.

Intrínseco — independente do contexto, compartilhável. A fonte, o tamanho, a cor. Vive dentro do flyweight.

Extrínseco — depende do contexto, não compartilhável. A posição, o índice. Fica fora e é passado como parâmetro nas operações.

antes:   1.000.000 objetos × (fonte + tamanho + cor + posição)
depois:  50 flyweights × (fonte + tamanho + cor)
       + 1.000.000 posições

O ganho existe quando o intrínseco é grande e o número de combinações distintas é pequeno.

Flyweights precisam ser imutáveis

Se um flyweight é compartilhado por milhares de contextos, alterá-lo afeta todos. Imutabilidade não é recomendação aqui — é requisito.

O custo escondido

Três custos que a discussão do padrão costuma omitir.

Indireção. O estado extrínseco vira parâmetro em toda operação, o que polui as assinaturas.

Custo de busca. A fábrica que devolve flyweights mantém um mapa. Para objetos muito baratos de criar, a busca pode custar mais que a criação.

Complexidade de raciocínio. Um objeto que só faz sentido com contexto externo é mais difícil de entender e de depurar.

Quando Usar

• O número de objetos é muito grande — ordem de centenas de milhares ou mais.
• A memória foi medida e é um gargalo real.
• A maior parte do estado é repetida e pode ser separada.
• Os flyweights podem ser imutáveis.

Quando Não Usar

Sem medição. O erro central. Aplicar por antecipação é otimização prematura com custo estrutural.

Quando o número de objetos é moderado. Alguns milhares de objetos não justificam a complexidade em nenhuma plataforma moderna.

Quando o estado compartilhável é pequeno. Se o intrínseco é um campo e o extrínseco são dez, não há o que economizar.

Quando os objetos precisam ser mutáveis. O compartilhamento vira defeito.

Quando a linguagem ou a plataforma já faz isso. Muitas plataformas fazem internamento de cadeias de caracteres e cache de números pequenos automaticamente. Reimplementar é trabalho duplicado.

Alternativas

• Estruturas de dados orientadas a valor — arrays de primitivos em vez de objetos, quando a plataforma permite.
• Internamento — reutilizar instâncias imutáveis idênticas, que é Flyweight simplificado e frequentemente suficiente.
• Carga sob demanda — não manter tudo em memória.
• Não fazer nada — se a medição não apontou memória como gargalo.

Trade-offs

Flyweight	Objetos independentes
Memória muito menor	Memória proporcional ao número
Estado imutável e seguro para compartilhar	Cada objeto é seu
Assinaturas poluídas por estado extrínseco	Assinaturas limpas
Custo de busca na fábrica	Criação direta
Raciocínio mais difícil	Objeto autocontido

Modos de Falha

Flyweight mutável. Alterar um afeta milhares de contextos, e o defeito aparece longe.

Fábrica que cresce sem limite. O mapa de flyweights vira ele próprio um vazamento de memória, se as combinações não forem realmente poucas.

Estado extrínseco esquecido. Uma operação usa o contexto errado, e o resultado é sutilmente incorreto.

Ganho que não se materializa. O intrínseco era menor do que se supunha.

Erros Comuns

Aplicar sem medir. O erro que define o padrão.

Compartilhar objeto mutável.

Reimplementar o que a plataforma já faz.

Separar mal intrínseco e extrínseco. Colocar no intrínseco algo que depende do contexto produz defeitos difíceis de rastrear.

Onde ele aparece na prática

Internamento de cadeias de caracteres. A JVM mantém um conjunto de literais; cadeias idênticas compartilham a mesma instância. É Flyweight embutido na plataforma.

Cache de números pequenos. Java e Python mantêm instâncias únicas para inteiros de faixa pequena, pela mesma razão.

Motores de renderização de texto. Glifos e informações de fonte compartilhados entre milhões de caracteres — o caso original.

Motores de jogos. Texturas, malhas e materiais compartilhados entre milhares de instâncias; apenas transformação e estado são por instância.

Nos dois primeiros, o padrão é da plataforma e o programador se beneficia sem saber. Nos dois últimos, ele é aplicado deliberadamente e sempre depois de um perfil de memória — que é a ordem correta.

Exemplo Real

Um sistema de mapas renderizava até 400 mil pontos de interesse simultaneamente. Cada ponto era um objeto com ícone, cor, tamanho, rótulo e coordenada.

O perfil de memória mostrou 1,2 GB só nesses objetos, com pausas de coleta de lixo de mais de um segundo.

A análise dos dados revelou que existiam 37 combinações distintas de ícone, cor e tamanho, entre os 400 mil pontos.

Separando o estilo — intrínseco, 37 instâncias — da coordenada e do rótulo — extrínsecos — a memória caiu para 180 MB e as pausas para dezenas de milissegundos.

Dois pontos que valem mais que o ganho. Primeiro: a decisão só foi possível porque alguém contou as combinações distintas antes de implementar. Se fossem 40 mil, o padrão não teria ganho.

Segundo: as assinaturas ficaram piores. desenhar(estilo, coordenada, rotulo) é menos legível que ponto.desenhar(), e o time aceitou isso conscientemente, registrando a razão. É o trade-off do padrão, e ele foi pago.

Conceitos Relacionados

• Prototype — cópia em vez de compartilhamento.
• Singleton — instância única, propósito diferente.
• Proxy — frequentemente usado para carga sob demanda, uma alternativa a este padrão.

Exercício Prático

Se seu sistema mantém muitos objetos semelhantes em memória, conte quantas combinações distintas de atributos existem de fato.

A razão entre o número de objetos e o número de combinações é o ganho potencial. Abaixo de uma ordem de grandeza, provavelmente não vale.

Perguntas de Entrevista

• Qual a diferença entre estado intrínseco e extrínseco?
• Por que flyweights precisam ser imutáveis?
• O que precisa ser verdade antes de aplicar este padrão?

Para Aprofundar

• Gamma, Erich et al. Design Patterns. Addison-Wesley, 1994.