23种设计模式 - 享元模式

模式定义

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，通过共享技术减少大量相似对象的内存占用。它将对象状态分为内部状态（可共享的固有属性）和外部状态（随场景变化的属性），适用于数控系统中需要管理大量重复组件（如刀具、轴控制器）的场景。

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模式结构

Flyweight（抽象享元类）

• 定义对象操作接口（如operate()），声明内部/外部状态处理方法。
  ConcreteFlyweight（具体享元类）
• 实现抽象接口，存储内部状态（如刀具型号），处理与外部状态（如刀具位置）的交互。
  FlyweightFactory（享元工厂类）
• 管理享元对象池，通过唯一标识（如刀具ID）创建或获取对象，确保共享唯一性。

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适用场景

数控系统刀具库管理：数千种刀具共享型号参数（内部状态），仅记录安装位置（外部状态）。

轴控制器配置复用：相同型号的电机共享控制参数，独立维护位置数据。

减少内存开销：当系统中存在大量重复对象（如G代码指令）时。

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C++示例（数控刀具库场景）

场景说明：

设计数控系统的刀具库，相同型号刀具共享材质、尺寸等属性，独立管理安装位置。

#include 
#include 

// 抽象享元类：刀具
class Tool {
public:
    virtual void operate(const std::string& position) = 0; // 外部状态通过参数传入
    virtual ~Tool() = default;
};

// 具体享元类：钻头
class Drill : public Tool {
private:
    std::string model_;  // 内部状态（共享）
    double diameter_;    // 内部状态（共享）
public:
    Drill(const std::string& model, double diameter) 
        : model_(model), diameter_(diameter) {}
    
    void operate(const std::string& position) override {
        std::cout << "使用钻头" << model_ 
                  << " (直径:" << diameter_ << "mm) 在位置 " 
                  << position << " 执行钻孔\n";
    }
};

// 享元工厂类
class ToolFactory {
private:
    std::unordered_map tools_; // 享元池
public:
    Tool* getTool(const std::string& model, double diameter) {
        auto it = tools_.find(model);
        if (it == tools_.end()) {
            Tool* tool = new Drill(model, diameter);
            tools_[model] = tool;
            return tool;
        }
        return it->second;
    }

    ~ToolFactory() {
        for (auto& pair : tools_) delete pair.second;
    }
};

// 客户端使用
int main() {
    ToolFactory factory;

    // 获取共享刀具（内部状态相同）
    Tool* tool1 = factory.getTool("DR-2024", 5.0);
    Tool* tool2 = factory.getTool("DR-2024", 5.0); // 复用对象
    
    // 设置外部状态（位置不同）
    tool1->operate("X100 Y200");
    tool2->operate("X300 Z150");

    return 0;
}

输出结果：

使用钻头DR-2024 (直径:5mm) 在位置 X100 Y200 执行钻孔  
使用钻头DR-2024 (直径:5mm) 在位置 X300 Z150 执行钻孔

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优势与局限

优势：内存减少50%+（当存在10,000个重复刀具时）

局限：增加代码复杂度，需严格区分内部/外部状态

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数控系统应用扩展

G代码指令共享：相同指令模板（如G01）共享解析逻辑，仅替换坐标参数

报警代码管理：相同错误类型共享处理逻辑，独立记录发生时间

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