结构型模式之享元模式

在面向对象程序设计过程中，有时会面临要创建大量相同或相似对象实例的问题。创建那么多的对象将会耗费很多的系统资源，它是系统性能提高的一个瓶颈。例如，围棋和五子棋中的黑白棋子，图像中的坐标点或颜色，局域网中的路由器、交换机和集线器，教室里的桌子和凳子等。这些对象有很多相似的地方，如果能把它们相同的部分提取出来共享，则能节省大量的系统资源，这就是享元模式的产生背景。

定义与特点

享元（Flyweight）模式的定义：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

享元模式的主要优点是：相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。

其主要缺点是：

• 为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。

• 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

结构与实现

享元模式中存在以下两种状态：

• 内部状态，即不会随着环境的改变而改变的可共享部分。

• 外部状态，指随环境改变而改变的不可以共享的部分。享元模式的实现要领就是区分应用中的这两种状态，并将外部状态外部化。

模式的结构

享元模式的主要角色有如下：

• 抽象享元角色（Flyweight）:是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入。

• 具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。

• 非享元（Unsharable Flyweight)角色：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中。

• 享元工厂（Flyweight Factory）角色：负责创建和管理享元角色。当客户对象请求一个享元对象时，享元工厂检査系统中是否存在符合要求的享元对象，如果存在则提供给客户；如果不存在的话，则创建一个新的享元对象。

下图是享元模式的结构图。图中的 UnsharedConcreteFlyweight 是非享元角色，里面包含了非共享的外部状态信息 info；而 Flyweight 是抽象享元角色，里面包含了享元方法 operation(UnsharedConcreteFlyweight state)，非享元的外部状态以参数的形式通过该方法传入；ConcreteFlyweight 是具体享元角色，包含了关键字 key，它实现了抽象享元接口；FlyweightFactory 是享元工厂角色，它逝关键字 key 来管理具体享元；客户角色通过享元工厂获取具体享元，并访问具体享元的相关方法。

模式的实现

享元模式的实现代码如下：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        FlyweightFactory factory=new FlyweightFactory();
        IFlyweight f01=factory.GetFlyweight("a");
        IFlyweight f02=factory.GetFlyweight("a");
        IFlyweight f03=factory.GetFlyweight("a");
        IFlyweight f11=factory.GetFlyweight("b");
        IFlyweight f12=factory.GetFlyweight("b");
        f01.Operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用a。"));
        f02.Operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用a。"));
        f03.Operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第3次调用a。"));
        f11.Operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用b。"));
        f12.Operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用b。"));
        Console.ReadLine();
    }
}

//非享元角色
public class UnsharedConcreteFlyweight
{
    private String info;
    public UnsharedConcreteFlyweight(String info)
    {
        this.info=info;
    }
    public String GetInfo()
    {
        return info;
    }
    public void SetInfo(String info)
    {
        this.info=info;
    }
}

//抽象享元角色
public interface IFlyweight
{
    void Operation(UnsharedConcreteFlyweight state);
}

//具体享元角色
public class ConcreteFlyweight : IFlyweight
{
    private String key;
    public ConcreteFlyweight(String key)
    {
        this.key=key;
        Console.WriteLine("具体享元"+key+"被创建！");
    }
    public void Operation(UnsharedConcreteFlyweight outState)
    {
        Console.WriteLine("具体享元"+key+"被调用，");
        Console.WriteLine("非享元信息是:" + outState.GetInfo());
    }
}

//享元工厂角色
public class FlyweightFactory
{
    private Dictionary<String, IFlyweight> flyweights = new Dictionary<String, IFlyweight>();
    public IFlyweight GetFlyweight(String key)
    {
        IFlyweight flyweight;
        flyweights.TryGetValue(key,out flyweight);
        if(flyweight!=null)
        {
            Console.WriteLine("具体享元" + key + "已经存在，被成功获取！");
        }
        else
        {
            flyweight=new ConcreteFlyweight(key);
            flyweights.Add(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

程序运行结果如下：

具体享元a被创建！
具体享元a已经存在，被成功获取！
具体享元a已经存在，被成功获取！
具体享元b被创建！
具体享元b已经存在，被成功获取！
具体享元a被调用，非享元信息是:第1次调用a。
具体享元a被调用，非享元信息是:第2次调用a。
具体享元a被调用，非享元信息是:第3次调用a。
具体享元b被调用，非享元信息是:第1次调用b。
具体享元b被调用，非享元信息是:第2次调用b。

应用场景

享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式：

• 系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源。

• 大部分的对象可以按照内部状态进行分组，且可将不同部分外部化，这样每一个组只需保存一个内部状态。

• 由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式。

扩展：单纯享元模式和复合享元模式

在前面介绍的享元模式中，其结构图通常包含可以共享的部分和不可以共享的部分。在实际使用过程中，有时候会稍加改变，即存在两种特殊的享元模式：单纯享元模式和复合享元模式，下面分别对它们进行简单介绍。

• 单纯享元模式：这种享元模式中的所有的具体享元类都是可以共享的，不存在非共享的具体享元类，其结构图如图所示：

• 复合享元模式：这种享元模式中的有些享元对象是由一些单纯享元对象组合而成的，它们就是复合享元对象。虽然复合享元对象本身不能共享，但它们可以分解成单纯享元对象再被共享，其结构图如图所示：