23种设计模式——享元模式对象性能

Posted 2023-01-02 J-A

文章目录

• • 意图
  • 什么时候使用享元
  • 享元模式的实现
  • • • 内部状态和外部状态
  • 享元模式的优缺点
  • 与其他模式的关系

亦称： 缓存、Cache、Flyweight

意图

享元模式是一种结构型设计模式， 它摒弃了在每个对象中保存所有数据的方式， 通过共享多个对象所共有的相同状态， 让你能在有限的内存容量中载入更多对象。

什么时候使用享元

仅在程序必须支持大量对象且没有足够的内存容量时使用享元模式。

应用该模式所获的收益大小取决于使用它的方式和情景。 它在下列情况中最有效：

• 程序需要生成数量巨大的相似对象
• 这将耗尽目标设备的所有内存
• 对象中包含可抽取且能在多个对象间共享的重复状态。

日常生活场景中的应用：

我们去驾考的时候，如果给每个考试的人都准备一辆车，那考场就挤爆了，考点都堆不下考试车，因此驾考现场一般会有几辆车给要考试的人依次使用。如果考生人数少，就分别少准备几个自动档和手动档的驾考车，考生多的话就多准备几辆。如果考手动档的考生比较多，就多准备几辆手动档的驾考车。

我们去考四六级的时候（为什么这么多考试？😅），如果给每个考生都准备一个考场，怕是没那么多考场也没有这么多监考老师，因此现实中的大多数情况都是几十个考生共用一个考场。四级考试和六级考试一般同时进行，如果考生考的是四级，那么就安排四级考场，听四级的听力和试卷，六级同理。

生活中类似的场景还有很多，比如咖啡厅的咖啡口味，餐厅的菜品种类，拳击比赛的重量级等等。

在类似场景中，这些例子有以下特点：

1. 目标对象具有一些共同的状态，比如驾考考生考的是自动档还是手动档，四六级考生考的是四级还是六级；
2. 这些共同的状态所对应的对象，可以被共享出来；

享元模式的实现

为了能更方便地访问各种享元， 你可以创建一个工厂方法来管理已有享元对象的缓存池。 工厂方法从客户端处接收目标享元对象的内在状态作为参数， 如果它能在缓存池中找到所需享元， 则将其返回给客户端； 如果没有找到， 它就会新建一个享元， 并将其添加到缓存池中。

你可以选择在程序的不同地方放入该函数。 最简单的选择就是将其放置在享元容器中。 除此之外， 你还可以新建一个工厂类， 或者创建一个静态的工厂方法并将其放入实际的享元类中。

内部状态和外部状态

享元对象之所以能做到共享，关键是区分了内部状态和外部状态：

• 内部状态（Intrinsic State）：存储在享元对象内部，并且不会随环境改变而改变。因此，内部状态可以共享。
• 外部状态（Extrinsic State）：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，并在享元对象被创建之后，需要使用时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。

由于区分了内部状态和外部状态，因此可以将具有相同内部状态的对象存储在享元池中来实现共享。当需要时，将对象从享元池中取出以实现对象的复用。通过向取出的对象注入不同的外部状态，可以得到一系列相似的对象，而这些对象在内存中实际上只存储一份。

struct SharedState

	std::string brand_;
	std::string model_;
	std::string color_;

	SharedState(const std::string &brand, const std::string &model, const std::string &color)
		: brand_(brand), model_(model), color_(color)
	
	

	friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const SharedState &ss)
	
		return os << "[ " << ss.brand_ << " , " << ss.model_ << " , " << ss.color_ << " ]";
	
;

struct UniqueState

	std::string owner_;
	std::string plates_;

	UniqueState(const std::string &owner, const std::string &plates)
		: owner_(owner), plates_(plates)
	
	

	friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const UniqueState &us)
	
		return os << "[ " << us.owner_ << " , " << us.plates_ << " ]";
	
;

/**
 * The Flyweight stores a common portion of the state (also called intrinsic
 * state) that belongs to multiple real business entities. The Flyweight accepts
 * the rest of the state (extrinsic state, unique for each entity) via its
 * method parameters.
 */
class Flyweight

private:
	SharedState *shared_state_;

public:
	Flyweight(const SharedState *shared_state) : shared_state_(new SharedState(*shared_state))
	
	
	Flyweight(const Flyweight &other) : shared_state_(new SharedState(*other.shared_state_))
	
	
	~Flyweight()
	
		delete shared_state_;
	
	SharedState *shared_state() const
	
		return shared_state_;
	
	void Operation(const UniqueState &unique_state) const
	
		std::cout << "Flyweight: Displaying shared (" << *shared_state_ << ") and unique (" << unique_state << ") state.\\n";
	
;
/**
 * The Flyweight Factory creates and manages the Flyweight objects. It ensures
 * that flyweights are shared correctly. When the client requests a flyweight,
 * the factory either returns an existing instance or creates a new one, if it
 * doesn't exist yet.
 */
class FlyweightFactory

	/**
	 * @var Flyweight[]
	 */
private:
	std::unordered_map<std::string, Flyweight> flyweights_;
	/**
	 * Returns a Flyweight's string hash for a given state.
	 */
	std::string GetKey(const SharedState &ss) const
	
		return ss.brand_ + "_" + ss.model_ + "_" + ss.color_;
	

public:
	FlyweightFactory(std::initializer_list<SharedState> share_states)
	
		for (const SharedState &ss : share_states)
		
			this->flyweights_.insert(std::make_pair<std::string, Flyweight>(this->GetKey(ss), Flyweight(&ss)));
		
	

	/**
	 * Returns an existing Flyweight with a given state or creates a new one.
	 */
	Flyweight GetFlyweight(const SharedState &shared_state)
	
		std::string key = this->GetKey(shared_state);
		if (this->flyweights_.find(key) == this->flyweights_.end())
		
			std::cout << "FlyweightFactory: Can't find a flyweight, creating new one.\\n";
			this->flyweights_.insert(std::make_pair(key, Flyweight(&shared_state)));
		
		else
		
			std::cout << "FlyweightFactory: Reusing existing flyweight.\\n";
		
		return this->flyweights_.at(key);
	
	void ListFlyweights() const
	
		size_t count = this->flyweights_.size();
		std::cout << "\\nFlyweightFactory: I have " << count << " flyweights:\\n";
		for (std::pair<std::string, Flyweight> pair : this->flyweights_)
		
			std::cout << pair.first << "\\n";
		
	
;

享元模式的优缺点

优点	缺点
由于减少了系统中的对象数量，提高了程序运行效率和性能，精简了内存占用，加快运行速度；	引入了共享对象，使对象结构变得复杂；
外部状态相对独立，不会影响到内部状态，所以享元对象能够在不同的环境被共享；	共享对象的创建、销毁等需要维护，带来额外的复杂度（如果需要把共享对象维护起来的话）；

与其他模式的关系

• 你可以使用享元模式实现组合模式树的共享叶节点以节省内存。
• 享元展示了如何生成大量的小型对象， 外观模式则展示了如何用一个对象来代表整个子系统。
• 如果你能将对象的所有共享状态简化为一个享元对象， 那么享元就和单例模式类似了。 但这两个模式有两个根本性的不同。
  1. 只会有一个单例实体， 但是享元类可以有多个实体， 各实体的内在状态也可以不同。
  2. 单例对象可以是可变的。 享元对象是不可变的。