设计模式-享元模式-C++

一、引言

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象来减少内存的使用量。通过将一些内容分离为内部状态和外部状态，享元模式可以有效减少创建相似对象的数量，达到节省内存和提高性能的目的。

二、使用场景

1. 减少重复对象：当需要创建大量相似的对象时，使用享元模式可以通过共享相同的状态数据来有效节省内存。

2. 节约内存：在对内存使用敏感的应用中（如大型游戏中需要大量相似的图形对象），享元模式能显著降低内存占用。

3. 数量变化大的对象：对于对象数量存在大幅波动的场景，利用享元模式能够在一定程度上减少内存分配带来的负担。

4. 相同部分共享：当对象的某些部分是可以共享的，且相同部分不受环境变化影响时。例如在文本处理和图形编辑中共享相同的字体样式或图片。

三、模式分类

• 内部状态：与对象本身紧密关联，以不随环境变化而变化的部分，例如某个对象的颜色、形状等。

• 外部状态：与对象的环境相关，随着环境的变化而变化的部分，可以通过参数传递来影响享元对象的表现。

四、优缺点

优点

• 内存优化：减少处理相同状态或相似对象所占用的内存。
• 快速创建和共享：享元模式可实现快速的对象创建和使用共享对象。
• 易于扩展：增加新的具体享元可通过加入新的类来实现，不必修改现有的代码。

缺点

• 复杂性增加：享元模式的设计可能增加系统的复杂性，特别是在涉及管理和分类共享对象的情况下。
• 难于管理：在存在多个子类时，需要进行更加复杂的状态判断，可能会影响对象访问的效率。
• 外部状态传递：需要在方法中传递外部状态给享元对象，若累积的外部状态较多，可能增加代码的复杂性。

五、代码示例

以下是一个享元模式的C++实现示例。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <unordered_map>
#include <string>
#include <vector>

// 享元接口
class Flyweight {
public:
    virtual void operation(const std::string& externalState) = 0;
};

// 具体享元类
class ConcreteFlyweight : public Flyweight {
private:
    std::string intrinsicState; // 内部状态

public:
    ConcreteFlyweight(const std::string& state) : intrinsicState(state) {}

    void operation(const std::string& externalState) override {
        std::cout << "Intrinsic State: " << intrinsicState << ", External State: " << externalState << std::endl;
    }
};

// 享元工厂类
class FlyweightFactory {
private:
    std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<Flyweight>> flyweights;

public:
    std::shared_ptr<Flyweight> getFlyweight(const std::string& key) {
        // 如果已存在则返回，否则创建新的
        if (flyweights.find(key) == flyweights.end()) {
            flyweights[key] = std::make_shared<ConcreteFlyweight>(key);
        }
        return flyweights[key];
    }

    // 打印所有享元对象的数量
    void report() {
        std::cout << "Total Flyweights: " << flyweights.size() << std::endl;
    }
};

int main() {
    FlyweightFactory factory;

    std::vector<std::shared_ptr<Flyweight>> flyweights;

    // 不同的外部状态生成
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        auto flyweight = factory.getFlyweight("State " + std::to_string(i % 5)); // 共享相同状态
        flyweights.push_back(flyweight);
        flyweight->operation("External State " + std::to_string(i)); // 添加外部状态
    }

    factory.report(); // 打印享元对象的数量

    return 0;
}

代码解析

1. Flyweight: 定义了享元接口，规定了操作方法并接收外部状态 as 参数。

2. ConcreteFlyweight: 实现了享元接口，包含了内在状态（如状态模式中的状态标识），实现了 operation 方法用来打印内外部状态。

3. FlyweightFactory: 负责创建和管理享元对象，通过使用一个哈希表缓存享元对象，以支持共享相同的内部状态。

4. main(): 在主函数中，创建了多个享元对象并展示了如何在不同情况下复用内部状态，并且报告享元对象的数量，展示了共享的效果。

六、模式总结

享元模式是一种适用于需要管理大量相似对象的场景和环境的高效开发方式，通过共享内部状态以减少内存占用，极大地提高了系统的性能。面临复杂性和外部状态传递等问题的同时，其总体优势显著。掌握和理解享元模式，有助于在设计复杂软件系统时进行有效的资源优化以及提高运行性能。通过谨慎地使用此模式，程序员能有效提升代码的可维护性和清晰性。