设计模式—— 享元模式

Posted 2020-11-19 answer-geng

模式简介

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运用共享技术有效地支持大量细粒度地对象。

通常情况下，面向对象技术可以增强系统地灵活性及可扩展性，在系统开发过程中，我们会不断地增加类和对象。当对象数量过多时，将会带来系统开销过高、性能下降等问题。享元模式通过共享相同或相似的对象来解决这一类问题。在介绍享元模式之前，首先要弄清楚两个概念：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，因此内部状态可以共享。例如，围棋中的棋子，它们的形状和大小完全相同，那么形状、大小则属于内部状态。
• 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。例如，棋子的位置各不相同，那么棋子的位置就属于外部状态。

结构说明

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角色说明

• Flyweight

抽象享元类。包含一个方法，通过这个方法flyweight可以接受外部状态。

• ConcreteFlyweight

具体享元类。实现Flyweight，对象是可共享的。

• UnsharedConcreteFlyweight

非共享享元类。享元模式并不强制共享。

• FlyweightFactory

享元工厂类。创建并管理Flyweight对象。

源码结构

抽象享元类Flyweight，包含一个抽象方法Operation，并接受一个外部状态extrinsiState。

abstract class Flyweight
{
    public abstract void Operation(int extrinsicState);
}

具体享元类ConcreteFlyweightA和ConcreteFlyweightB，实现具体的Operation方法。

class ConcreteFlyweightA : Flyweight
{
    public override void Operation(int extrinsicState)
    {
        Console.WriteLine($"ConcreteFlyweightA->Operation[{extrinsicState}]");
    }
}

class ConcreteFlyweightB : Flyweight
{
    public override void Operation(int extrinsicState)
    {
        Console.WriteLine($"ConcreteFlyweightB->Operation[{extrinsicState}]");
    }
}

享元工厂，负责维护一个享元池，用来存储具有相同内部状态的享元对象。

class FlyweightFactory
{
    private Dictionary<string, Flyweight> _flyweights = new Dictionary<string, Flyweight>();
    public Flyweight GetFlyweight(string key)
    {
        Flyweight flyweight;
        if (_flyweights.ContainsKey(key))
        {
            Console.WriteLine("Already in the pool , use the exist one.");
            flyweight = _flyweights[key];
        }
        else
        {
            switch (key)
            {
                case "A":
                    flyweight = new ConcreteFlyweightA();
                    break;
                case "B":
                    flyweight = new ConcreteFlyweightB();
                    break;
                default:
                    throw new Exception("Don‘t support this key");
            }

            _flyweights.Add(key, flyweight);
        }
        return _flyweights[key];
    }
}

通过向工厂传入不同的key值，获取相应的享元对象。

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
        Flyweight fw = factory.GetFlyweight("A");

        int extrinsicState = 1;
        fw.Operation(extrinsicState);

        Flyweight fw2 = factory.GetFlyweight("B");
        fw2.Operation(extrinsicState);

        extrinsicState = 2;
        Flyweight fw3 = factory.GetFlyweight("A");
        fw3.Operation(extrinsicState);

        Console.ReadLine();
    }
}

输出结果：

工作原理

• ConcreteFlyweight对象存储内部状态，由Client计算或存储外部状态并传递给享元对象。
• 用户通过FlyweightFactory对象获取ConcreteFlyweight对象，从而确保享元对象的共享。

示例分析

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想象一款围棋游戏，棋盘中包含大量的黑子和白子。当然我们不能为每个棋子创建一个对象，这种设计代价太大，随着游戏的不断进行，软件占用内存会越来越大。棋子的形状、大小完全相同(内部状态)，位置发生变化(外部状态)。

首先创建享元类Chessman，包含抽象方法Display，这里以x,y表示坐标位置。

abstract class Chessman
{
    public abstract void Display(int x, int y);
}

创建具体享元类，为了使用方便，加入Color枚举。

class WhiteChessman : Chessman
{
    public override void Display(int x, int y)
    {
        Console.WriteLine($"While Chessman , Position:X=>{x},Y=>{y}");
    }
}

class BlackChessman : Chessman
{
    public override void Display(int x, int y)
    {
        Console.WriteLine($"Black Chessman , Position:X=>{x},Y=>{y}");
    }
}

public enum Color
{
    White,
    Black
}

创建Chessman工厂，维护一个享元池，如果享元池中包含请求的对象，则直接返回；如果不包含，则根据请求的颜色创建相应的对象，并添加至享元池中，最后返回给客户端。

class ChessmanFactory
{
    private Dictionary<Color, Chessman> _chessman = new Dictionary<Color, Chessman>();
    public Chessman GetChessman(Color color)
    {
        Chessman chessman;
        if (_chessman.ContainsKey(color))
        {
            Console.WriteLine("Already in the pool , use the exist one.");
            chessman = _chessman[color];
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("new object");
            switch (color)
            {
                case Color.White:
                    chessman = new WhiteChessman();
                    _chessman.Add(color,chessman);
                    break;
                case Color.Black:
                    chessman = new BlackChessman();
                    _chessman.Add(color, chessman);
                    break;
                default:
                    throw new Exception("Don‘t support this color");
            }
        }

        return chessman;
    }
}

客户端调用

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        ChessmanFactory factory = new ChessmanFactory();
        var chessmanA = factory.GetChessman(Color.White);
        chessmanA.Display(1,1);

        var chessmanB = factory.GetChessman(Color.Black);
        chessmanB.Display(4, 3);

        var chessmanC = factory.GetChessman(Color.White);
        chessmanC.Display(5, 10);

        Console.ReadLine();
    }
}

使用场景

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• 一个系统中含有大量的相似或相同的对象，由于这些对象的大量使用，消耗大量的内存。

• 对象的大部分状态可以外部化，由客户端将这些外部状态传入对象中。

• 由于享元模式需要维护一个存储享元对象的享元池，所以仅当在多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。

优缺点

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优点

• 极大地减少了内存中对象的数量，使得相同或相似的对象在内存中只保留一份。
• 享元模式的外部状态相对独立，不会影响其内部状态，从而使得享元对象可以在不同环境中被共享。

缺点

• 系统逻辑更加复杂，需要分离出外部状态和内部状态。
• 客户端计算并存储外部状态，导致系统运行时间变长。从某种程度上来说，享元模式是一种以时间换空间的解决方案。