C++ 设计模式之享元模式

简介

1、享元模式（Flyweight）是一种用于减少应用程序中对象数量的设计模式。在享元模式中，通过使用共享对象来避免创建大量具有细微差别的对象，从而减少内存使用和提高性能。享元模式通常与工厂模式一起使用，以管理共享对象的创建和访问。

2、享元模式（Flyweight）应用场景包括但不限于：
2.1、大量共享对象的场景：在一些系统中，可能会存在大量的共享对象，例如数据库连接池、线程池等。这些对象可以通过享元模式来实现共享，减少对象的创建和销毁，从而提高系统的性能和可扩展性。
2.2、大数据量的场景：在需要处理大量数据的系统中，可能会存在大量的重复对象，例如图像处理中的像素点、文本处理中的单词等。这些对象可以通过享元模式来共享，减少对象的创建和内存消耗，提高系统的性能和可扩展性。
2.3、高并发的场景：在高并发的系统中，例如电商网站的购物车、在线游戏的排行榜等，可能会存在大量的请求。这些对象可以通过享元模式来共享，减少对象的创建和销毁，从而提高系统的并发处理能力和响应速度。
2.4、分布式系统中的对象共享：在分布式系统中，可能会存在大量的对象需要在不同的节点之间共享，例如分布式缓存系统、分布式锁等。这些对象可以通过享元模式来共享，减少对象的网络传输和存储开销，提高系统的性能和可扩展性。

3、享元模式（Flyweight）的构成
3.1、享元接口（Flyweight）：定义了一个享元对象需要实现的方法，这些方法应该与执行共享对象所需的操作有关。这个接口可能声明一些方法用于存储、外部状态设置以及共享对象的内部状态操作。

class Character
{
public:
	virtual void display() const = 0;
	virtual ~Character() {};
};

3.2、具体享元（ConcreteFlyweight）：实现了Flyweight接口，并为内部状态（即存储在享元对象中的信息）添加存储空间。具体享元类知道如何修改和访问其内部状态。

class ConcreteCharacter : public Character
{
public:
	ConcreteCharacter(char argGlyph);
	void display() const;
private:
	char glyph;
};

3.3、享元工厂（FlyweightFactory）：负责创建和管理享元对象。它确保在系统中只存在唯一的一个享元对象实例。享元工厂类必须能够识别出存储在享元对象中的信息，当需要的时候创建新对象（如果不存在）或者获取已经存在的对象（如果已经存在）。

class FlyweightFactory
{
public:
	std::shared_ptr<Character> getFlyweight(char glyph);
private:
	std::map<char, std::shared_ptr<Character>> flyweights;
};

4、享元模式（Flyweight）的优点
4.1、节省资源：减少了系统中对象的数量，节省了内存空间，特别适用于大量重复对象的情况。
4.2、减少实例化的开销：由于对象被复用，因此创建新对象的频率降低，从而减少了实例化的开销。

5、享元模式（Flyweight）的缺点
5.1、代码复杂度上升：由于引入工厂类、管理共享对象的复杂性，以及客户端和享元对象的管理等，可能会导致系统设计变得复杂。
5.2、对象状态管理复杂化：需要区分内部状态和外部状态，易错，同时需要注意线程安全问题。

简单示例

1、定义

// 享元基类
class Character
{
public:
	virtual void display() const = 0;
	virtual ~Character() {};
};

// 具体的享元类
class ConcreteCharacter : public Character
{
public:
	ConcreteCharacter(char argGlyph);
	void display() const;
private:
	char glyph;
};

// 享元工厂
class FlyweightFactory
{
public:
	std::shared_ptr<Character> getFlyweight(char glyph);
private:
	std::map<char, std::shared_ptr<Character>> flyweights;
};

2、实现

ConcreteCharacter::ConcreteCharacter(char argGlyph) : glyph(argGlyph)
{

}

void ConcreteCharacter::display() const
{
	std::cout << glyph;
}

std::shared_ptr<Character> FlyweightFactory::getFlyweight(char glyph)
{
	// 如果已经存在，则返回
	if (flyweights.find(glyph) != flyweights.end())
	{
		return flyweights[glyph];
	}
	auto flyweight = std::make_shared<ConcreteCharacter>(glyph);
	flyweights[glyph] = flyweight;
	return flyweight;
}

3、调用

FlyweightFactory fly;
std::string document = "AABBCCDDE";
for (char glyph : document)
{
	auto ch = fly.getFlyweight(glyph);
	ch->display();
}
std::cout << std::endl;