【第十节】C++设计模式(结构型模式)-Flyweight( 享元)模式

目录

一、问题背景

二、模式选择

三、代码实现

四、总结讨论

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一、问题背景

        享元模式（Flyweight Pattern）在对象存储优化中的应用

        在面向对象系统的设计与实现中，创建对象是最常见的操作之一。然而，如果一个应用程序使用了过多的对象，尤其是大量轻量级（细粒度）的对象，可能会导致巨大的存储开销。例如，在文档编辑器的设计中，如果为每个字母创建一个独立的对象，系统中可能会出现大量重复的对象，从而造成存储浪费。例如，字母“a”在文档中可能出现 100,000 次，实际上这 100,000 个“a”可以共享同一个对象。

        然而，由于不同位置的字母“a”可能有不同的显示效果（如字体、大小等），我们可以将对象的状态分为“内部状态”和“外部状态”。内部状态是对象共享的、不变的部分，而外部状态则可以在需要时作为参数传递给对象（例如在显示时传递字体、大小等信息）。

二、模式选择

        上述问题可以通过**享元模式（Flyweight Pattern）**来解决。享元模式的核心思想是通过共享大量细粒度对象来减少存储开销。其典型结构如下：

        FlyweightFactory：类似于工厂模式的对象构造工厂，用于管理对象的创建和共享。
        Flyweight：享元对象的基类，定义了内部状态和外部状态的处理方式。
        ConcreteFlyweight：具体的享元对象实现，包含内部状态。

三、代码实现

        以下是享元模式的完整实现代码，采用 C++ 编写。

代码片段 1：Flyweight.h

#ifndef _FLYWEIGHT_H_
#define _FLYWEIGHT_H_#include <string>
using namespace std;class Flyweight {
public:virtual ~Flyweight();virtual void Operation(const string& extrinsicState); // 外部状态的处理string GetIntrinsicState(); // 获取内部状态
protected:Flyweight(string intrinsicState); // 构造函数，初始化内部状态
private:string _intrinsicState; // 内部状态
};class ConcreteFlyweight : public Flyweight {
public:ConcreteFlyweight(string intrinsicState); // 构造函数~ConcreteFlyweight();void Operation(const string& extrinsicState); // 外部状态的处理
};#endif //~_FLYWEIGHT_H_

代码片段 2：Flyweight.cpp

#include "Flyweight.h"
#include <iostream>
using namespace std;Flyweight::Flyweight(string intrinsicState) {this->_intrinsicState = intrinsicState;
}Flyweight::~Flyweight() {}void Flyweight::Operation(const string& extrinsicState) {// 默认实现为空
}string Flyweight::GetIntrinsicState() {return this->_intrinsicState;
}ConcreteFlyweight::ConcreteFlyweight(string intrinsicState) : Flyweight(intrinsicState) {cout << "ConcreteFlyweight Build....." << intrinsicState << endl;
}ConcreteFlyweight::~ConcreteFlyweight() {}void ConcreteFlyweight::Operation(const string& extrinsicState) {cout << "ConcreteFlyweight: 内蕴 [" << this->GetIntrinsicState() << "] 外蕴 [" << extrinsicState << "]" << endl;
}

代码片段 3：FlyweightFactory.h

#ifndef _FLYWEIGHTFACTORY_H_
#define _FLYWEIGHTFACTORY_H_#include "Flyweight.h"
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;class FlyweightFactory {
public:FlyweightFactory();~FlyweightFactory();Flyweight* GetFlyweight(const string& key); // 获取享元对象
protected:
private:vector<Flyweight*> _fly; // 对象池
};#endif //~_FLYWEIGHTFACTORY_H_

代码片段 4：FlyweightFactory.cpp

#include "FlyweightFactory.h"
#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;FlyweightFactory::FlyweightFactory() {}FlyweightFactory::~FlyweightFactory() {}Flyweight* FlyweightFactory::GetFlyweight(const string& key) {vector<Flyweight*>::iterator it = _fly.begin();for (; it != _fly.end(); it++) {// 如果对象已存在，则直接返回if ((*it)->GetIntrinsicState() == key) {cout << "already created by users...." << endl;return *it;}}// 否则创建新对象并加入对象池Flyweight* fn = new ConcreteFlyweight(key);_fly.push_back(fn);return fn;
}

代码片段 5：main.cpp

#include "Flyweight.h"
#include "FlyweightFactory.h"
#include <iostream>
using namespace std;int main(int argc, char* argv[]) {FlyweightFactory* fc = new FlyweightFactory();Flyweight* fw1 = fc->GetFlyweight("hello"); // 获取享元对象Flyweight* fw2 = fc->GetFlyweight("world!"); // 获取享元对象Flyweight* fw3 = fc->GetFlyweight("hello"); // 获取享元对象return 0;
}

代码说明

        享元模式在实现过程中，主要是为共享对象提供一个存放的“仓库”（对象池）。这里通过 C++ STL 中的 `vector` 容器来实现对象池的管理。需要注意的是，对象池的管理策略（查找、插入等）对性能有很大影响。这里使用了简单的顺序遍历来查找对象，但实际应用中可以使用更高效的索引策略，例如哈希表。

四、总结讨论

        享元模式通过共享细粒度对象，有效地减少了系统中的对象数量，从而降低了存储开销。它特别适用于需要创建大量相似对象的场景，如文档编辑器、游戏中的粒子系统等。通过合理使用享元模式，可以显著提高系统的性能和资源利用率。

        在以后讲到的状态模式（State Pattern）和策略模式（Strategy Pattern）中，可能会产生大量的对象，因此可以通过享元模式来优化存储开销。享元模式的核心思想是共享对象，从而减少系统中对象的数量，降低存储和计算资源的消耗。

参考学习：设计模式精解－GoF 23 种设计模式解析