C++ 设计模式之享元模式

【声明】本题目来源于卡码网（题目页面 (kamacoder.com)）

【提示：如果不想看文字介绍，可以直接跳转到C++编码部分】

【简介】什么是享元模式 -- 可重复使用

享元模式是⼀种结构型设计模式 ，在享元模式中，对象被设计为可共享的 ，可以被多个上下⽂使⽤，⽽不必在每个上下⽂中都创建新的对象。

想要了解享元模式，就必须要区分什么是内部状态，什么是外部状态。

内部状态 是指那些可以被多个对象共享的状态，它存储在享元对象内部，并且对于所有享元对象都是相同的，这部分状态通常是不变的。
外部状态 是享元对象依赖的、可能变化的部分。这部分状态不存储在享元对象内部，⽽是在使⽤享元对象时通过参数传递给对象。

举个例⼦，图书馆中有很多相同的书籍，但每本书都可以被多个⼈借阅，图书馆⾥的书就是内部状态，⼈就是外部状态。

再举个开发中的例⼦，假设我们在构建⼀个简单的图形编辑器，⽤户可以在画布上绘制不同类型的图形，⽽图形就是所有图形对象的内部状态（不变的），⽽图形的坐标位置就是图形对象的外部状态（变化的）。

如果图形编辑器中有成千上万的图形对象，每个图形对象都独⽴创建并存储其内部状态，那么系统的内存占⽤可能会很⼤，在这种情况下，享元模式共享相同类型的图形对象，每种类型的图形对象只需创建⼀个共享实例，然后通过设置不同的坐标位置个性化每个对象，通过共享相同的内部状态，降低了对象的创建和内存占⽤成本。

【基本结构】

享元模式包括以下⼏个重要⻆⾊：

享元接⼝Flyweight: 所有具体享元类的共享接⼝，通常包含对外部状态的操作。
具体享元类ConcreteFlyweight: 继承Flyweight 类或实现享元接⼝，包含内部状态。
享元⼯⼚类FlyweightFactory: 创建并管理享元对象，当⽤户请求时，提供已创建的实例或者创建⼀个。
客户端Client : 维护外部状态，在使⽤享元对象时，将外部状态传递给享元对象。

【简易实现】

享元模式的实现通常涉及以下步骤：（以Java代码作以说明）

1. 定义享元接⼝，接受外部状态作为参数并进⾏处理。

java 复制代码

// 步骤 1: 定义享元接⼝
interface Flyweight {
    // 操作外部状态
    void operation(String externalState);
}

**2. 实现具体享元类,**存储内部状态。

java 复制代码

// 步骤 2: 实现具体享元类
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String intrinsicState; // 内部状态

    public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) {
        this.intrinsicState = intrinsicState;
    }

    @Override
    public void operation(String externalState) {
        System.out.println("Intrinsic State: " + intrinsicState + ", External State: "
        + externalState);
    }
}

3. 创建享元⼯⼚类，创建并管理Flyweight 对象，当⽤户请求⼀个Flyweight 时，享元⼯⼚会提供⼀个已经创建的实例或者创建⼀个。

java 复制代码

class FlyweightFactory {
    private Map<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>();

    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        if (!flyweights.containsKey(key)) {
            flyweights.put(key, new ConcreteFlyweight(key));
        }
        return flyweights.get(key);
    }
}

4. 客户端使⽤享元模式

java 复制代码

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
    FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();

    // 获取或创建享元对象，并传递外部状态
    Flyweight flyweight1 = factory.getFlyweight("A");
    flyweight1.operation("External State 1");

    Flyweight flyweight2 = factory.getFlyweight("B");
    flyweight2.operation("External State 2");

    Flyweight flyweight3 = factory.getFlyweight("A"); // 【重复使⽤！】已存在的享元对象
    flyweight3.operation("External State 3");
    }
}

【使用场景】

使⽤享元模式的关键在于包含⼤量相似对象，并且这些对象的内部状态可以共享。具体的应⽤场景包括⽂本编辑器，图形编辑器，游戏中的⻆⾊创建，这些对象的内部状态⽐较固定(外观，技能，形状)，但是外部状态变化⽐较⼤时，可以使⽤。

【编码部分】

1. 题目描述

在一个图形编辑器中，用户可以绘制不同类型的图形，包括圆形（CIRCLE）、矩形（RECTANGLE）、三角形（TRIANGLE）等。现在，请你实现一个图形绘制程序，要求能够共享相同类型的图形对象，以减少内存占用；

2. 输入描述

输入包含多行，每行表示一个绘制命令。每个命令包括两部分：图形类型（Circle、Rectangle 或 Triangle）绘制的坐标位置（两个整数，分别表示 x 和 y）；

3. 输出描述

对于每个绘制命令，输出相应图形被绘制的位置信息。如果图形是首次绘制，输出 "drawn at"，否则输出 "shared at"。

4. C++ 编码部分

java 复制代码

/**
* @version Copyright (c) 2024 NCDC, Servo。 Unpublished - All rights reserved
* @file FlyWeightMode.hpp
* @brief 享元模式
* @autor 写代码的小恐龙er
* @date 2024/01/13
*/

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <map>

using namespace std;

// 形状枚举类
enum class ShapeType{
    CIRCLE,   // 圆形
    RECTANGLE,// 矩形
    TRIANGLE, // 三角形
};

// 前置声明

// 图形位置
class Position;
// 1 -- 享元接口类
class Shape;
// 2 -- 具体实现享元接口
class ConcreteShape;
// 3 -- 享元工厂
class ShapeFactory;

// 图形位置
class Position
{
// 成员数据
private:
    int _x;
    int _y;
    
// 成员函数
public:
    Position(){}
    Position(int x, int y){
        this->_x = x;
        this->_y = y;
    }
    
    // 成员函数获取接口
    int GetX(){
        return _x;
    }
    int GetY(){
        return _y;
    }
};

// 1 -- 享元接口类
class Shape
{
// 接口函数
public:
    virtual void DrawShape(Position *position) = 0;
};

// 2 -- 具体实现享元接口
class ConcreteShape : public Shape
{
// 成员数据
private:
    // 形状类型
    ShapeType _shapeType;
    // 首次绘制标志
    bool _firstTime = true;
// 成员函数
public:
    // 通过 形状类型来创建具体的对象
    ConcreteShape(ShapeType shapeType){
        this->_shapeType = shapeType;
    }
    // 设置是否首次绘制标志位
    void SetFirstTime(bool flag){
        this->_firstTime = flag;
    }
    // 重载基类的接口函数
    void DrawShape(Position *position){
        string outStr = "";
        
        switch(_shapeType)
        {
        case ShapeType::CIRCLE:
            outStr = "CIRCLE";
            break;
        case ShapeType::RECTANGLE:
            outStr = "RECTANGLE";
            break;
        case ShapeType::TRIANGLE:
            outStr = "TRIANGLE";
            break;
        }

        if(_firstTime) outStr += " drawn at (";
        else outStr += " shared at (";
        
        std::cout << outStr << (position->GetX()) << ", " << (position->GetY()) << ")" << endl;
    }
};

// 3 -- 享元工厂
class ShapeFactory
{
// 成员数据
private:
    // 包含可扩展的享元类
    std::map<ShapeType, Shape*> _shapesMap;
    
// 成员函数
public:
    Shape* GetShape(ShapeType type){
        std::map<ShapeType, Shape*>::iterator pos = _shapesMap.find(type);
        if(pos == _shapesMap.end())
        {
            // 如果在map中找不到具体的形状实现类 则新建
            _shapesMap.insert(make_pair(type, new ConcreteShape(type)));
        }
        
        // 返回 具体的形状实现类
        return _shapesMap[type];
    }
};

int main()
{
    // 形状类型 
    string type;
    // x y
    int x = 0;
    int y = 0;
    // 新建位置类
    Position *position = nullptr;
    
    // 新建享元工厂类
    ShapeFactory *shapeFactory = new ShapeFactory();
    
    while(std::cin >> type >> x >> y)
    {
        // 形状类型
        ShapeType shapeType;
        if(type == "CIRCLE")
        {
            shapeType = static_cast<ShapeType>(0);
        }
        else if(type == "RECTANGLE")
        {
            shapeType = static_cast<ShapeType>(1);
        }
        else if(type == "TRIANGLE")
        {
            shapeType = static_cast<ShapeType>(2);
        }
        
        // 位置类
        position = new Position(x, y);
        
        // 具体的享元实现类
        Shape *shape = shapeFactory->GetShape(shapeType);
        
        // 先进行绘制操作
        shape->DrawShape(position);
        
        // 通过 dynamic_cast 向下类型转换
        ConcreteShape *concreteShape = dynamic_cast<ConcreteShape *> (shape);
        if(concreteShape == nullptr) return 0;
        
        // 再将该类型的标志位置为false
        concreteShape->SetFirstTime(false);
    }
    
    
    // 析构
    if(position != nullptr){
        delete position;
        position = nullptr;
    }

    delete shapeFactory;
    shapeFactory = nullptr;
    
    return 0;
}

......

To be continued.