设计模式十一：享元模式（Flyweight Pattern）

享元模式是一种结构型设计模式，它通过共享对象来最小化内存使用或计算开销。这种模式适用于大量相似对象的情况，通过共享这些对象的公共部分来减少资源消耗。

基本概念

享元模式的核心思想是将对象的内在状态 （不变的部分）和外在状态（变化的部分）分离：

内在状态（Intrinsic State）：存储在享元内部，可以被多个对象共享，独立于具体场景
外在状态（Extrinsic State）：取决于具体场景，通常由客户端保存或计算

实现示例

下面是一个简单的享元模式实现示例，模拟文本编辑器中的字符处理：

复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>

// 享元类 - 表示字符及其内在状态（字体、大小等）
class Character {
public:
    Character(char symbol, const std::string& font, int size)
        : symbol_(symbol), font_(font), size_(size) {}
    
    void display(int position) const {
        std::cout << "Character: " << symbol_ 
                  << ", Font: " << font_
                  << ", Size: " << size_
                  << ", Position: " << position << std::endl;
    }
    
private:
    char symbol_;
    std::string font_;
    int size_;
};

// 享元工厂 - 创建和管理享元对象
class CharacterFactory {
public:
    Character* getCharacter(char key, const std::string& font, int size) {
        // 使用组合键来唯一标识享元对象
        std::string compositeKey = std::string(1, key) + "_" + font + "_" + std::to_string(size);
        
        if (characters_.find(compositeKey) == characters_.end()) {
            characters_[compositeKey] = new Character(key, font, size);
        }
        
        return characters_[compositeKey];
    }
    
    ~CharacterFactory() {
        for (auto& pair : characters_) {
            delete pair.second;
        }
    }
    
private:
    std::unordered_map<std::string, Character*> characters_;
};

// 客户端代码
int main() {
    CharacterFactory factory;
    
    // 文档中的字符及其位置
    std::string text = "Hello, World!";
    
    for (size_t i = 0; i < text.size(); ++i) {
        char c = text[i];
        // 假设所有字符使用相同的字体和大小
        Character* character = factory.getCharacter(c, "Arial", 12);
        character->display(i); // 位置是外在状态，由客户端提供
    }
    
    return 0;
}

UML结构

享元模式的组成

Flyweight（享元接口）：定义享元对象的接口
ConcreteFlyweight（具体享元）：实现享元接口，存储内在状态
UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元）：不需要共享的享元实现
FlyweightFactory（享元工厂）：创建和管理享元对象，确保合理共享
Client（客户端）：维护对享元的引用，计算或存储外在状态

适用场景

一个应用程序使用了大量相似对象
由于大量对象造成很大的存储开销
对象的大多数状态可以变为外部状态
移除了外部状态后，可以用较少的共享对象替代大量对象

优点

减少内存使用，因为共享了相似对象
减少了对象的创建数量，提高了性能
将状态外部化，使得对象更轻量

缺点

增加了系统复杂性，需要分离内在和外在状态
可能需要线程安全考虑，因为享元对象是共享的
外在状态需要由客户端维护和管理

实际应用

文本编辑器中的字符处理
游戏开发中的粒子系统
图形编辑器中的图形对象
数据库连接池
任何需要大量细粒度对象的场景

在C++标准库中，std::string的写时复制（COW）实现某种程度上也使用了享元模式的思想。