结构型设计模式之亨元模式【设计模式系列】

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一、亨元模式介绍

亨元模式？不知道为啥起这么奇怪的名字！！！

简单的理解: 一个类的成员非常多，创建此对象很消耗资源，在实际场景中又需要反复创建和销毁该对象。所消耗的内存，就更加庞大。

如果此时设计一个对象池，里面缓存一定的对象，软件在用时申请，不用时回收。就能实现对象的重复利用，而多次创建和销毁对象。

什么是享元模式？

说到享元模式，第一个想到的应该就是池技术了，String常量池、数据库连接池、缓冲池等等都是享元模式的应用，所以说享元模式是池技术的重要实现方式。

比如我们每次创建字符串对象时，都需要创建一个新的字符串对象的话，内存开销会很大，所以如果第一次创建了字符串对象“adam“，下次再创建相同的字符串”adam“时，只是把它的引用指向”adam“，这样就实现了”adam“字符串再内存中的共享。

举个最简单的例子，网络联机下棋的时候，一台服务器连接了多个客户端（玩家），如果我们每个棋子都要创建对象，那一盘棋可能就有上百个对象产生，玩家多点的话，因为内存空间有限，一台服务器就难以支持了，所以这里要使用享元模式，将棋子对象减少到几个实例。

⚠️ 意图：
运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

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

⚠️ 何时使用：
1、系统中有大量对象。 2、这些对象消耗大量内存。 3、这些对象的状态大部分可以外部化。 4、这些对象可以按照内蕴状态分为很多组，当把外蕴对象从对象中剔除出来时，每一组对象都可以用一个对象来代替。 5、系统不依赖于这些对象身份，这些对象是不可分辨的。

⚠️ 如何解决：
用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象。

图1_1 亨元模式类图

因为要求细粒度对象，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。

内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元对象内部并且不会随环境的改变而改变；
外部状态指对象得以依赖的一个标记，是随环境改变而改变的、不可共享的状态。

二、亨元模式优缺点

2.1 优点

大大减少了对象的创建，降低了程序内存的占用，提高效率

• 享元模式的优点在于它可以极大减少内存中对象的数量，使得相同对象或相似对象在内存中只保存一份。
• 享元模式的外部状态相对独立，而且不会影响其内部状态，从而使得享元对象可以在不同的环境中被共享。

2.2 缺点

提高了系统的复杂度。需要分离出内部状态和外部状态，而外部状态具有固化特性，不应该随着内部状态的改变而改变

• 享元模式使得系统更加复杂，需要分离出内部状态和外部状态，这使得程序的逻辑复杂化。
• 为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间变长。

享元模式可以避免大量非常相似类的开销。在程序设计中，有时需要生成大量细粒度的类实例来表示数据。如果能发现这些实例除了几个参数外基本上都是相同的，有时就能够大幅度的减少需要实例化的类的数量。如果能把那些参数移到类实例的外面，在方法调用时将它们传递进来，就可以通过共享大幅度地减少单个实例的数目。

也就是说，享元模式Flyweight执行时所需的状态是有内部的也可能有外部的，内部状态存储于ConcreteFlyweight对象之中，而外部对象则应该考虑由客户端对象存储或计算，当调用Flyweight对象的操作时，将该状态传递给它。

三、亨元模式使用场景

• 系统中存在大量相似对象
• 需要缓冲池的场景

注意事项：
注意划分内部状态和外部状态，否则可能会引起线程安全问题；
这些类必须有一个工厂类加以控制。

四、亨元模式实现

Flyweight抽象类
所有具体享元类的超类或接口，通过这个接口，Flyweight可以接受并作用于外部状态。

#ifndef FLYWEIGHT_FLYWEIGHT_H
#define FLYWEIGHT_FLYWEIGHT_H

#include <iostream>
#include <string>
#include <utility>

using namespace std;
class Flyweight {
    
    
public:
    explicit Flyweight(string extrinsic) {
    
    
        extrinsic_ = std::move(extrinsic);
    }

    virtual ~Flyweight() = default;
    //定义业务操作
    virtual void operate(int extrinsic) = 0;

    string getIntrinsic() const {
    
    
        return intrinsic_;
    }

    void setIntrinsic(string intrinsic) {
    
    
        intrinsic_ = std::move(intrinsic);
    }

public:
    string intrinsic_; //内部状态
protected:
    //要求享元角色必须接受外部状态
    string extrinsic_;//外部状态

};


#endif //FLYWEIGHT_FLYWEIGHT_H

ConcreteFlyweight类
继承Flyweight超类或实现Flyweight接口，并为其内部状态增加存储空间。

#ifndef FLYWEIGHT_CONCRETEFLYWEIGHT_H
#define FLYWEIGHT_CONCRETEFLYWEIGHT_H

#include "Flyweight.h"

class ConcreteFlyweight : public Flyweight{
    
    
    //接受外部状态
public:
    explicit ConcreteFlyweight(string extrinsic) : Flyweight(std::move(extrinsic)) {
    
    }
    ~ ConcreteFlyweight() = default;
    //根据外部状态进行逻辑处理
    void operate(int extrinsic) override {
    
    
        cout << "具体Flyweight:" << extrinsic << endl;
    }
};


#endif //FLYWEIGHT_CONCRETEFLYWEIGHT_H

UnsharedConcreteFlyweight类
指那些不需要共享的Flyweight子类。

#ifndef FLYWEIGHT_UNSHAREDCONCRETEFLYWEIGHT_H
#define FLYWEIGHT_UNSHAREDCONCRETEFLYWEIGHT_H

#include "Flyweight.h"

class UnsharedConcreteFlyweight : public Flyweight{
    
    
public:
    explicit UnsharedConcreteFlyweight(string extrinsic) : Flyweight(std::move(extrinsic)) {
    
    }
    ~UnsharedConcreteFlyweight() = default;
    //根据外部状态进行逻辑处理
    void operate(int extrinsic) override {
    
    
        cout << "不共享的具体Flyweight:" << extrinsic << endl;
    }
};


#endif //FLYWEIGHT_UNSHAREDCONCRETEFLYWEIGHT_H

FlyweightFactory类
一个享元工厂，用来创建并管理Flyweight对象，主要是用来确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例或创建一个实例。

#include "Flyweight.h"
#include "ConcreteFlyweight.h"
#include <map>
#include <memory>

using namespace std;

class FlyweightFactory {
    
    
public:
    FlyweightFactory() = default;
    ~FlyweightFactory() = default;

    //享元工厂
public:
     shared_ptr<Flyweight> GetFlyweight(string extrinsic) {
    
    
        cout << extrinsic << endl;
        shared_ptr<Flyweight> flyweightPtr = nullptr;
        auto a = pool_.find(extrinsic);
        if(pool_.find(extrinsic) != pool_.end()) {
    
        //池中有该对象
            flyweightPtr = pool_.at(extrinsic);
            cout << "已有 " << extrinsic << " 直接从池中取---->" << endl;
        } else {
    
    
            //根据外部状态创建享元对象
            flyweightPtr = make_shared<ConcreteFlyweight>(extrinsic);
            //放入池中
            pool_.emplace(extrinsic, flyweightPtr);
           cout << "创建 " << extrinsic  <<  " 并从池中取出---->" << endl;
        }

        return flyweightPtr;
    }

    //定义一个池容器
private:
     map<string, shared_ptr<Flyweight>> pool_;
};


#endif //FLYWEIGHT_FLYWEIGHTFACTORY_H

Client客户端

#include <iostream>
#include "Flyweight.h"
#include "FlyweightFactory.h"
#include "UnsharedConcreteFlyweight.h"

using namespace std;
int main() {
    
    
    int extrinsic = 22;

    FlyweightFactory factory;

    shared_ptr<Flyweight> flyweightX = factory.GetFlyweight("X");
    flyweightX->operate(++extrinsic);

    shared_ptr<Flyweight> flyweightY = factory.GetFlyweight("Y");
    flyweightY->operate(++extrinsic);

    shared_ptr<Flyweight> flyweightZ = factory.GetFlyweight("Z");
    flyweightZ->operate(++extrinsic);

    shared_ptr<Flyweight> flyweightReX = factory.GetFlyweight("X");
    flyweightReX->operate(++extrinsic);

    shared_ptr<UnsharedConcreteFlyweight> unsharedFlyweight = make_shared<UnsharedConcreteFlyweight>("X") ;
    unsharedFlyweight->operate(++extrinsic);

    return 0;
}

运行结果如下：

图1_2 运行结果

从这个结果我们可以看出来，第一次创建X、Y、Z时，都是先创建再从池中取出，而第二次创建X时，因为池中已经存在了，所以直接从池中取出，这就是享元模式。

五、总结

与其他相关模式：

客户端要引用享元对象，是通过工厂对象创建或者获得的，客户端每次引用一个享元对象，都是可以通过同一个工厂对象来引用所需要的享元对象。因此，可以将享元工厂设计成单例模式，这样就可以保证客户端只引用一个工厂实例。因为所有的享元对象都是由一个工厂对象统一管理的，所以在客户端没有必要引用多个工厂对象。不管是单纯享元模式还是复合享元模式中的享元工厂角色，都可以设计成为单例模式，对于结果是不会有任何影响的。

Composite模式：Flyweight模式通常和Composite 模式结合起来，用共享叶结点的有向无环图实现一个逻辑上的层次结构。复合享元模式实际上是单纯享元模式与合成模式的组合。单纯享元对象可以作为树叶对象来讲，是可以共享的，而复合享元对象可以作为树枝对象， 因此在复合享元角色中可以添加聚集管理方法。通常，最好用Flyweight实现State 和Strategy 对象。

小结：

1. 享元模式是一个考虑系统性能的设计模式，通过使用享元模式可以节约内存空间，提高系统的性能。
2. 享元模式的核心在于享元工厂类，享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池，用户需要对象时，首先从享元池中获取，如果享 元池中不存在，则创 建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。
3. 享元模式以共享的方式高效地支持大量的细粒度对象，享元对象能做到共享的关键是区分内部状态(Internal State)和外部状态(External State)。
   (1) 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，因此内部状态可以共享。
   (2) 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必须由客户端保存，并在享元对象被创建之后，在需要使用的时候 再传入到享元对 象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。