C#設(shè)計(jì)模式(12)——享元模式（Flyweight Pattern）

一、引言

在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，如果我們需要重復(fù)使用某個(gè)對(duì)象的時(shí)候，如果我們重復(fù)地使用new創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象的話，這樣我們?cè)趦?nèi)存就需要多次地去申請(qǐng)內(nèi)存空間了，這樣可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存使用越來(lái)越多的情況，這樣的問(wèn)題是非常嚴(yán)重，然而享元模式可以解決這個(gè)問(wèn)題，下面具體看看享元模式是如何去解決這個(gè)問(wèn)題的。

二、享元模式的詳細(xì)介紹

在前面說(shuō)了，享元模式可以解決上面的問(wèn)題了，在介紹享元模式之前，讓我們先要分析下如果去解決上面那個(gè)問(wèn)題，上面的問(wèn)題就是重復(fù)創(chuàng)建了同一個(gè)對(duì)象，如果讓我們?nèi)ソ鉀Q這個(gè)問(wèn)題肯定會(huì)這樣想：“既然都是同一個(gè)對(duì)象，能不能只創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，然后下次需要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)對(duì)象的時(shí)候，讓它直接用已經(jīng)創(chuàng)建好了的對(duì)象就好了”，也就是說(shuō)——讓一個(gè)對(duì)象共享。不錯(cuò)，這個(gè)也是享元模式的實(shí)現(xiàn)精髓所在。

2.1 定義

介紹完享元模式的精髓之后，讓我們具體看看享元模式的正式定義：

享元模式——運(yùn)用共享技術(shù)有效地支持大量細(xì)粒度的對(duì)象。享元模式可以避免大量相似類的開(kāi)銷，在軟件開(kāi)發(fā)中如果需要生成大量細(xì)粒度的類實(shí)例來(lái)表示數(shù)據(jù)，如果這些實(shí)例除了幾個(gè)參數(shù)外基本上都是相同的，這時(shí)候就可以使用享元模式來(lái)大幅度減少需要實(shí)例化類的數(shù)量。如果能把這些參數(shù)（指的這些類實(shí)例不同的參數(shù)）移動(dòng)類實(shí)例外面，在方法調(diào)用時(shí)將他們傳遞進(jìn)來(lái)，這樣就可以通過(guò)共享大幅度地減少單個(gè)實(shí)例的數(shù)目。（這個(gè)也是享元模式的實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)）,然而我們把類實(shí)例外面的參數(shù)稱為享元對(duì)象的外部狀態(tài)，把在享元對(duì)象內(nèi)部定義稱為內(nèi)部狀態(tài)。具體享元對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)與外部狀態(tài)的定義為：

內(nèi)部狀態(tài)：在享元對(duì)象的內(nèi)部并且不會(huì)隨著環(huán)境的改變而改變的共享部分

外部狀態(tài)：隨環(huán)境改變而改變的，不可以共享的狀態(tài)。

2.2 享元模式實(shí)現(xiàn)

分析完享元模式的實(shí)現(xiàn)思路之后，相信大家實(shí)現(xiàn)享元模式肯定沒(méi)什么問(wèn)題了，下面以一個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)下享元模式。這個(gè)例子是：一個(gè)文本編輯器中會(huì)出現(xiàn)很多字面，使用享元模式去實(shí)現(xiàn)這個(gè)文本編輯器的話，會(huì)把每個(gè)字面做成一個(gè)享元對(duì)象。享元對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)就是這個(gè)字面，而字母在文本中的位置和字體風(fēng)格等其他信息就是它的外部狀態(tài)。下面就以這個(gè)例子來(lái)實(shí)現(xiàn)下享元模式，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

/// <summary>
    /// 客戶端調(diào)用
    /// </summary>
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 定義外部狀態(tài)，例如字母的位置等信息
            int externalstate = 10;
            // 初始化享元工廠
            FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
            // 判斷是否已經(jīng)創(chuàng)建了字母A，如果已經(jīng)創(chuàng)建就直接使用創(chuàng)建的對(duì)象A
            Flyweight fa = factory.GetFlyweight("A");
            if (fa != null)
            {
                // 把外部狀態(tài)作為享元對(duì)象的方法調(diào)用參數(shù)
                fa.Operation(--externalstate);
            }
            // 判斷是否已經(jīng)創(chuàng)建了字母B
            Flyweight fb = factory.GetFlyweight("B");
            if (fb != null)
            {
                fb.Operation(--externalstate);
            }
            // 判斷是否已經(jīng)創(chuàng)建了字母C
            Flyweight fc = factory.GetFlyweight("C");
            if (fc != null)
            {
                fc.Operation(--externalstate);
            }
            // 判斷是否已經(jīng)創(chuàng)建了字母D
            Flyweight fd= factory.GetFlyweight("D");
            if (fd != null)
            {
                fd.Operation(--externalstate);
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("駐留池中不存在字符串D");
                // 這時(shí)候就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)對(duì)象并放入駐留池中
                ConcreteFlyweight d = new ConcreteFlyweight("D");
                factory.flyweights.Add("D", d);
            }
            Console.Read();
        }
    }
    /// <summary>
    /// 享元工廠，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理享元對(duì)象
    /// </summary>
    public class FlyweightFactory
    {
        // 最好使用泛型Dictionary<string,Flyweighy>
        //public Dictionary<string, Flyweight> flyweights = new Dictionary<string, Flyweight>();
        public Hashtable flyweights = new Hashtable();
        public FlyweightFactory()
        {
            flyweights.Add("A", new ConcreteFlyweight("A"));
            flyweights.Add("B", new ConcreteFlyweight("B"));
            flyweights.Add("C", new ConcreteFlyweight("C"));
        }
        public Flyweight GetFlyweight(string key)
        {
// 更好的實(shí)現(xiàn)如下
            //Flyweight flyweight = flyweights[key] as Flyweight;
            //if (flyweight == null)
            //{
            //    Console.WriteLine("駐留池中不存在字符串" + key);
            //    flyweight = new ConcreteFlyweight(key);
            //}
            //return flyweight;
return flyweights[key] as Flyweight;
        }
    }
    /// <summary>
    ///  抽象享元類，提供具體享元類具有的方法
    /// </summary>
    public abstract class Flyweight
    {
        public abstract void Operation(int extrinsicstate);
    }
    // 具體的享元對(duì)象，這樣我們不把每個(gè)字母設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的類了，而是作為把共享的字母作為享元對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)
    public class ConcreteFlyweight : Flyweight
    {
        // 內(nèi)部狀態(tài)
        private string intrinsicstate ;
        // 構(gòu)造函數(shù)
        public ConcreteFlyweight(string innerState)
        {
            this.intrinsicstate = innerState;
        }
        /// <summary>
        /// 享元類的實(shí)例方法
        /// </summary>
        /// <param name="extrinsicstate">外部狀態(tài)</param>
        public override void Operation(int extrinsicstate)
        {
            Console.WriteLine("具體實(shí)現(xiàn)類: intrinsicstate {0}, extrinsicstate {1}", intrinsicstate, extrinsicstate);
        }
    }

在享元模式的實(shí)現(xiàn)中，我們沒(méi)有像之前一樣，把一個(gè)細(xì)粒度的類實(shí)例設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的類，而是把它作為共享對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)放在共享類的內(nèi)部定義，具體的解釋注釋中都有了，大家可以參考注釋去進(jìn)一步理解享元模式。

2.3 享元模式的類圖

看完享元模式的實(shí)現(xiàn)之后，為了幫助大家理清楚享元模式中各類之間的關(guān)系，下面給出上面實(shí)現(xiàn)代碼中的類圖，如下所示：

（摘自http://www.cnblogs.com/zhenyulu/articles/55793.html）

在上圖中，涉及的角色如下幾種角色：

抽象享元角色（Flyweight）:此角色是所有的具體享元類的基類，為這些類規(guī)定出需要實(shí)現(xiàn)的公共接口。那些需要外部狀態(tài)的操作可以通過(guò)調(diào)用方法以參數(shù)形式傳入。

具體享元角色（ConcreteFlyweight）：實(shí)現(xiàn)抽象享元角色所規(guī)定的接口。如果有內(nèi)部狀態(tài)的話，可以在類內(nèi)部定義。

享元工廠角色（FlyweightFactory）：本角色復(fù)雜創(chuàng)建和管理享元角色。本角色必須保證享元對(duì)象可以被系統(tǒng)適當(dāng)?shù)毓蚕?，?dāng)一個(gè)客戶端對(duì)象調(diào)用一個(gè)享元對(duì)象的時(shí)候，享元工廠角色檢查系統(tǒng)中是否已經(jīng)有一個(gè)符合要求的享元對(duì)象，如果已經(jīng)存在，享元工廠角色就提供已存在的享元對(duì)象，如果系統(tǒng)中沒(méi)有一個(gè)符合的享元對(duì)象的話，享元工廠角色就應(yīng)當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)合適的享元對(duì)象。

客戶端角色（Client）：本角色需要存儲(chǔ)所有享元對(duì)象的外部狀態(tài)。

注：上面的實(shí)現(xiàn)只是單純的享元模式，同時(shí)還有復(fù)合的享元模式，由于復(fù)合享元模式較復(fù)雜，這里就不給出實(shí)現(xiàn)了。

三、享元模式的優(yōu)缺點(diǎn)

分析完享元模式的實(shí)現(xiàn)之后，讓我們繼續(xù)分析下享元模式的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

1. 降低了系統(tǒng)中對(duì)象的數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)中細(xì)粒度對(duì)象給內(nèi)存帶來(lái)的壓力。

缺點(diǎn)：

1. 為了使對(duì)象可以共享，需要將一些狀態(tài)外部化，這使得程序的邏輯更復(fù)雜，使系統(tǒng)復(fù)雜化。

2. 享元模式將享元對(duì)象的狀態(tài)外部化，而讀取外部狀態(tài)使得運(yùn)行時(shí)間稍微變長(zhǎng)。

四、使用場(chǎng)景

在下面所有條件都滿足時(shí)，可以考慮使用享元模式：

• 一個(gè)系統(tǒng)中有大量的對(duì)象；

• 這些對(duì)象耗費(fèi)大量的內(nèi)存；

• 這些對(duì)象中的狀態(tài)大部分都可以被外部化

• 這些對(duì)象可以按照內(nèi)部狀態(tài)分成很多的組，當(dāng)把外部對(duì)象從對(duì)象中剔除時(shí)，每一個(gè)組都可以僅用一個(gè)對(duì)象代替

• 軟件系統(tǒng)不依賴這些對(duì)象的身份，

滿足上面的條件的系統(tǒng)可以使用享元模式。但是使用享元模式需要額外維護(hù)一個(gè)記錄子系統(tǒng)已有的所有享元的表，而這也需要耗費(fèi)資源，所以，應(yīng)當(dāng)在有足夠多的享元實(shí)例可共享時(shí)才值得使用享元模式。

注：在.NET類庫(kù)中，string類的實(shí)現(xiàn)就使用了享元模式，更多內(nèi)容可以參考字符串駐留池的介紹，同時(shí)也可以參考這個(gè)博文深入理解.NET中string類的設(shè)計(jì)——http://www.cnblogs.com/artech/archive/2010/11/25/internedstring.html

五、總結(jié)

到這里，享元模式的介紹就結(jié)束了，享元模式主要用來(lái)解決由于大量的細(xì)粒度對(duì)象所造成的內(nèi)存開(kāi)銷的問(wèn)題，它在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中并不常用，可以作為底層的提升性能的一種手段。