设计模式之享元模式(C++实现)

更多设计模式参看&＃xff1a; 设计模式之模式概述(模式汇总)(C&＃43;&＃43;实现)

所谓“享元”&＃xff0c;顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象&＃xff0c;节省内存&＃xff0c;前提是享元对象是不可变对象。

“不可变对象”指的是&＃xff0c;一旦通过构造函数初始化完成之后&＃xff0c;它的状态&＃xff08;对象的成员变量或者属性&＃xff09;就不会再被修改了。

意图&＃xff1a;

享元模式(Flyweight Pattern)&＃xff1a; 运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象&＃xff0c;而这些对象都很相似&＃xff0c;状态变化很小&＃xff0c;可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象&＃xff0c;因此它又称为轻量级模式&＃xff0c;它是一种对象结构型模式。

解决问题&＃xff1a;

在有大量对象时&＃xff0c;有可能会造成内存溢出&＃xff0c;把其中共同的部分抽象出来&＃xff0c;如果有相同的业务请求&＃xff0c;直接返回在内存中已有的对象&＃xff0c;避免重新创建。

实现概述&＃xff1a;

通过工厂模式&＃xff0c;在工厂类中&＃xff0c;可以通过一个 Map 来缓存已经创建过的享元对象&＃xff0c;来达到复用的目的。

要点&＃xff1a;

用 Map 存储对象&＃xff0c;享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用&＃xff0c;享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态(Intrinsic State)和外部状态(Extrinsic State)。

内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态&＃xff0c;内部状态可以共享。

外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。享元对象的外部状态通常由客户端保存&＃xff0c;并在享元对象被创建之后&＃xff0c;需要使用的时候再传入到享元对象内部。

应用场景&＃xff1a;

当一个系统中存在大量重复对象的时候&＃xff0c;如果这些重复的对象是不可变对象&＃xff0c;就可以利用享元模式将对象设计成享元&＃xff0c;在内存中只保留一份实例&＃xff0c;供多处代码引用。

不仅仅相同对象可以设计成享元&＃xff0c;对于相似对象&＃xff0c;也可以将这些对象中相同的部分&＃xff08;字段&＃xff09;提取出来&＃xff0c;设计成享元&＃xff0c;让这些大量相似对象引用这些享元&＃xff0c;不同的地方作为外部状态传入对象中。

在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池&＃xff0c;而这需要耗费一定的系统资源&＃xff0c;因此&＃xff0c;应当在需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。

生活中场景

棋子&＃xff0c;比如围棋子&＃xff0c;棋子与棋子之间除了颜色和位置&＃xff0c;好像没什么不同了&＃xff01;也就是说&＃xff0c;每个棋子对象的大部分状态都是一样的&＃xff08;形状、材料、质地等&＃xff09;。

软件中场景

JAVA 中的 String&＃xff0c;如果有则返回&＃xff0c;如果没有则创建一个字符串保存在字符串缓存池里面。

Python [CPython&＃xff08;Python 的 C 实现&＃xff09;]内部会对 -5 到 256 的整型维持一个数组&＃xff0c; 起到一个缓存的作用。

优点&＃xff1a;

• 享元模式通过享元池存储已经创建好的享元对象&＃xff0c;实现相同或相似的细粒度对象的复用&＃xff0c;大大减少了系统中的对象数量&＃xff0c;节约了内存空间&＃xff0c;提升了系统性能&＃xff1b;
• 享元模式通过内部状态和外部状态的区分&＃xff0c;外部状态相互独立&＃xff0c;客户端可以根据需求任意使用。

缺点&＃xff1a;

• 享元模式需要增加逻辑来取分出内部状态和外部状态&＃xff0c;增加了编程的复杂度&＃xff1b;

角色

• Flyweight&＃xff08;抽象享元类&＃xff09;&＃xff1a;通常是一个接口或抽象类&＃xff0c;在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法&＃xff0c;这些方法可以向外部提供享元对象的内部状态数据&＃xff0c;也可以通过这些方法设置外部状态&＃xff1b;
• ConcreteFlyweight&＃xff08;具体享元类&＃xff09;&＃xff1a;具体实现抽象享元类声明的方法&＃xff0c;其实例称为享元对象&＃xff1b;具体享元类中为内部状态提供存储空间。具体享元类通常可以结合单例模式来设计实现&＃xff0c;为每个具体享元类提供唯一的享元对象。
• UnsharedConcreteFlyweight&＃xff08;非共享具体享元类&＃xff09;&＃xff1a;并不是所有抽象享元类的子类都需要被共享&＃xff0c;可以将这些类设计为非共享具体享元类&＃xff1b;当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
• FlyweightFactory&＃xff08;享元工厂类&＃xff09;&＃xff1a;用于创建并管理享元对象&＃xff0c;针对抽象享元类编程&＃xff0c;将各种具体享元类对象存储在一个享元池中&＃xff0c;享元池一般设计为一个存储键值对的集合&＃xff08;或者其他类型的集合&＃xff09;&＃xff0c;可结合工厂模式设计。客户需要某个享元对象时&＃xff0c;如果享元池中已有该对象实例&＃xff0c;则返回该实例&＃xff0c;否则创建一个新的实例&＃xff0c;给客户返回新的实例&＃xff0c;并将新实例保存在享元池中。

类图

以围棋棋子为例&＃xff0c;棋子除了颜色和坐标其他都一样

Flyweight&＃xff08;抽象享元类&＃xff09;&＃xff1a;ChessPiece

ConcreteFlyweight&＃xff08;具体享元类&＃xff09;&＃xff1a;BlackChessPiece WhiteChessPiece

UnsharedConcreteFlyweight&＃xff08;非共享具体享元类&＃xff09;&＃xff1a;Coordinates

FlyweightFactory&＃xff08;享元工厂类&＃xff09;&＃xff1a;ChessPieceFactory

GitHub

FlyweightPattern

UnsharedConcreteFlyweight&＃xff08;非共享具体享元类&＃xff09;

/// UnsharedConcreteFlyweight&＃xff08;非共享具体享元类&＃xff09;&＃xff1a;Coordinates
class Coordinates {
public:Coordinates(int x,int y) {this->x &＃61; x;this->y &＃61; y;std::cout << "Coordinates Hello, x &＃61; " << x << " y &＃61; " << y << std::endl;}~Coordinates() {std::cout << "Coordinates Bye, x &＃61; " << x << " y &＃61; " << y << std::endl;}int getX() {return x;}void setX(int x) {this->x &＃61; x;}int getY() {return y;}void setY(int y) {this->y &＃61; y;}
private:int x;int y;};


Flyweight&＃xff08;抽象享元类&＃xff09;

/// Flyweight&＃xff08;抽象享元类&＃xff09;&＃xff1a;ChessPiece
class ChessPiece {
public:virtual ~ChessPiece() &＃61; default;virtual std::string getColor() &＃61; 0;void display(Coordinates *coord) {std::cout << "棋子颜色&＃xff1a;" << getColor() << "&＃xff0c;棋子位置&＃xff1a;" << "x &＃61; " << coord->getX() << "&＃xff0c;y &＃61; " << coord->getY() << std::endl;};
protected:ChessPiece() &＃61; default;std::string color;
};


ConcreteFlyweight&＃xff08;具体享元类&＃xff09;

/// ConcreteFlyweight&＃xff08;具体享元类&＃xff09;&＃xff1a;BlackChessPiece WhiteChessPiece
class BlackChessPiece : public ChessPiece {
public:BlackChessPiece() {std::cout << "BlackChessPiece Hello" << std::endl;color &＃61; "黑色";}~BlackChessPiece() override {std::cout << "BlackChessPiece Bye" << std::endl;}std::string getColor() override{return color;}
};class WhiteChessPiece : public ChessPiece {
public:WhiteChessPiece() {std::cout << "WhiteChessPiece Hello" << std::endl;color &＃61; "白色";}~WhiteChessPiece() override {std::cout << "WhiteChessPiece Bye" << std::endl;}std::string getColor() override{return color;}
};


FlyweightFactory&＃xff08;享元工厂类&＃xff09;

/// FlyweightFactory&＃xff08;享元工厂类&＃xff09;&＃xff1a;ChessPieceFactory
class ChessPieceFactory {
public:static ChessPieceFactory *getInstance() {static ChessPieceFactory instance;return &instance;}ChessPiece *getChessPiece(const std::string& color) {return mapChessPiece[color];}
private:ChessPieceFactory() {std::cout << "ChessPieceFactory Hello" << std::endl;mapChessPiece.insert(std::pair<std::string,ChessPiece *>("b",new BlackChessPiece()));mapChessPiece.insert(std::pair<std::string,ChessPiece *>("w",new WhiteChessPiece()));}~ChessPieceFactory() {std::cout << "ChessPieceFactory Bye" << std::endl;auto iter &＃61; mapChessPiece.begin();while(iter!&＃61;mapChessPiece.end()) {ChessPiece *chessPiece &＃61; iter->second;delete chessPiece;iter&＃43;&＃43;;}}std::map<std::string,ChessPiece *> mapChessPiece;
};


测试

int main() {ChessPiece *black1,*black2,*black3,*white1,*white2;ChessPieceFactory *factory;//获取享元工厂对象factory &＃61; ChessPieceFactory::getInstance();//通过享元工厂获取三颗黑子black1 &＃61; factory->getChessPiece("b");black2 &＃61; factory->getChessPiece("b");black3 &＃61; factory->getChessPiece("b");std::cout << "两颗黑子是否相同&＃xff1a;" << (black1&＃61;&＃61;black2) << std::endl;//通过享元工厂获取两颗白子white1 &＃61; factory->getChessPiece("w");white2 &＃61; factory->getChessPiece("w");std::cout << "两颗白子是否相同&＃xff1a;" << (white1&＃61;&＃61;white2) << std::endl;std::vector<Coordinates *> coordinates;//std::function func &＃61; [&coordinates](Coordinates *coord ) {auto func &＃61; [&coordinates](Coordinates *coord ) {coordinates.push_back(coord);return coord;};//显示棋子black1->display(func(new Coordinates(1,3)));black2->display(func(new Coordinates(2,6)));;black3->display(func(new Coordinates(4,7)));;white1->display(func(new Coordinates(5,8)));;white2->display(func(new Coordinates(4,1)));;for (auto & coordinate : coordinates) {delete coordinate;}return 0;
}


输出

个人能力有限&＃xff0c;如有错误之处或者其他建议&＃xff0c;敬请告知欢迎探讨&＃xff0c;谢谢!