享元模式 (Flyweight)

享元模式 是一种结构型设计模式，它通过共享对象来减少内存使用和对象创建的开销。当系统中有大量相似对象时，享元模式可以避免重复创建相同对象，从而节省内存。

---

意图

• 通过共享相同对象来减少内存消耗。
• 用于系统中存在大量相似对象的场景。

---

使用场景

1. 大量相似对象：

   • 系统中存在许多共享的对象，这些对象的状态大部分是相同的。

2. 状态可以分为内部状态和外部状态：

   • 内部状态：可以被共享的部分，不会随上下文变化。
   • 外部状态：特定于场景的部分，不可共享，需要由客户端管理。

3. 节约内存：

   • 系统需要大量创建对象，但内存开销成为瓶颈。

---

参与者角色

1. 享元接口 (Flyweight)

   • 定义共享对象的公共接口。

2. 具体享元 (ConcreteFlyweight)

   • 实现享元接口，存储可以共享的内部状态。

3. 非共享享元 (UnsharedFlyweight)

   • 不可以共享的子类，通常会组合共享的享元对象。

4. 享元工厂 (FlyweightFactory)

   • 创建并管理享元对象，确保共享对象的唯一性。

5. 客户端 (Client)

   • 负责管理外部状态，并将外部状态与享元对象结合使用。

---

示例代码

以下代码展示了如何使用享元模式来共享图形对象，例如圆形。

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <memory>// 享元接口：图形
class Shape {
public:virtual ~Shape() = default;virtual void draw(const std::string& color) const = 0; // 外部状态为颜色
};// 具体享元类：圆形
class Circle : public Shape {
private:int radius; // 内部状态：半径public:Circle(int r) : radius(r) {}void draw(const std::string& color) const override {std::cout << "Drawing a circle with radius " << radius << " and color " << color << std::endl;}
};// 享元工厂：管理享元对象
class ShapeFactory {
private:std::unordered_map<int, std::shared_ptr<Shape>> shapes; // 缓存共享对象public:std::shared_ptr<Shape> getCircle(int radius) {if (shapes.find(radius) == shapes.end()) {shapes[radius] = std::make_shared<Circle>(radius);std::cout << "Creating a circle with radius " << radius << std::endl;}return shapes[radius];}
};// 客户端代码
int main() {ShapeFactory factory;// 获取共享的圆形对象auto circle1 = factory.getCircle(5);auto circle2 = factory.getCircle(10);auto circle3 = factory.getCircle(5); // 共享对象// 使用享元对象绘制circle1->draw("red");   // 外部状态：红色circle2->draw("blue");  // 外部状态：蓝色circle3->draw("green"); // 外部状态：绿色return 0;
}

---

代码解析

1. 享元接口 (Shape)

• 定义了 draw 方法，用于绘制图形，并接收外部状态作为参数：

class Shape {
public:virtual ~Shape() = default;virtual void draw(const std::string& color) const = 0;
};

2. 具体享元类 (Circle)

• 实现了 Shape 接口，存储可以共享的内部状态（如半径）：

class Circle : public Shape {
private:int radius; // 内部状态public:Circle(int r) : radius(r) {}void draw(const std::string& color) const override {std::cout << "Drawing a circle with radius " << radius << " and color " << color << std::endl;}
};

3. 享元工厂 (ShapeFactory)

• 负责管理享元对象，保证相同的内部状态只创建一个对象：

class ShapeFactory {
private:std::unordered_map<int, std::shared_ptr<Shape>> shapes; // 缓存共享对象public:std::shared_ptr<Shape> getCircle(int radius) {if (shapes.find(radius) == shapes.end()) {shapes[radius] = std::make_shared<Circle>(radius);std::cout << "Creating a circle with radius " << radius << std::endl;}return shapes[radius];}
};

4. 客户端

• 客户端通过 ShapeFactory 获取共享对象，并将外部状态与内部状态结合：

auto circle1 = factory.getCircle(5); // 创建新对象
auto circle3 = factory.getCircle(5); // 复用已有对象
circle1->draw("red");   // 绘制红色圆形
circle3->draw("green"); // 绘制绿色圆形

---

优缺点

优点

1. 减少内存使用：
   • 通过共享对象，避免了重复创建相同对象，节省了内存。
2. 提高系统性能：
   • 减少了对象创建的时间和空间开销。
3. 灵活性高：
   • 外部状态与内部状态分离，可以独立管理。

缺点

1. 复杂性增加：
   • 系统需要额外的享元工厂来管理共享对象。
2. 外部状态的管理困难：
   • 客户端需要显式传递外部状态，增加了使用复杂性。

---

适用场景

1. 系统有大量相似对象：

   • 如文字处理系统中的字符对象，每个字符对象可以共享其字体、大小等内部状态。

2. 内存消耗成为瓶颈：

   • 系统中对象数量庞大，通过共享来减少内存占用。

3. 对象的状态可以分为内部状态和外部状态：

   • 内部状态可以共享，外部状态由客户端管理。

---

总结

享元模式通过共享相似对象来减少内存使用，是一种优化性能的重要模式。它适用于对象数量庞大且状态大部分可以共享的场景。