享元模式是一种通过共享对象减少内存消耗的结构型设计模式。它适用于系统中存在大量细粒度且状态重复的对象，将对象的状态划分为内部状态与外部状态：内部状态是固有且不变的，可被多个对象共享；外部状态则随环境变化，需由客户端传入。构建享元模式需定义flyweight接口、实现concreteflyweight类、创建flyweightfactory工厂类并使用容器缓存对象。应用时应注意外部状态管理成本、线程安全、避免过度共享，并结合性能测试评估实际效益。
在设计C++程序时，如果遇到需要创建大量相似对象的场景，享元（Flyweight）模式是一个非常实用的设计技巧。它的核心思想是共享对象以减少内存开销，通过将对象的状态分为内部状态和外部状态来实现。
什么是享元模式？
享元模式是一种结构型设计模式，主要用于优化资源使用。它适用于系统中存在大量细粒度对象的情况。这些对象之间有很多重复信息，我们可以把这些重复的信息提取出来作为“内部状态”，而把变化的部分作为“外部状态”传递进来。
举个例子：一个文本编辑器中的字符对象。每个字符都有字体、颜色等属性。如果每个字符都单独保存这些信息，内存消耗会非常大。享元模式可以把字体、颜色等不变的信息作为内部状态共享，而位置、内容等变化的信息作为外部状态传入。
立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；
如何区分内部状态与外部状态？
这是享元模式的关键一步。你需要明确哪些数据是对象本身固有的、不随环境变化的（内部状态），哪些是动态变化、依赖上下文的（外部状态）。
-
内部状态：
- 不变
- 可以被多个对象共享
- 通常存储在享元对象中
-
外部状态：
- 随上下文变化
- 必须由客户端维护或传入
- 不存储在享元对象中
举个例子，在图形绘制系统中：
- 内部状态：形状类型（圆形、矩形）、颜色、边框样式
- 外部状态：坐标位置、大小尺寸、旋转角度
如果你把坐标也作为内部状态，那就失去了共享的意义。所以这一步要仔细分析业务逻辑。
如何构建享元工厂？
为了管理享元对象的创建和共享，通常会引入一个享元工厂类（FlyweightFactory）。这个工厂负责检查是否已有合适的享元对象，如果没有就创建一个新的。
基本步骤如下：
- 定义一个接口或基类
Flyweight - 派生具体享元类
ConcreteFlyweight，包含内部状态 - 创建工厂类
FlyweightFactory，用容器（如std::map）缓存已创建的对象 - 提供获取享元的方法，参数一般是内部状态相关的标识符（如字符串）
示例代码框架：
class Flyweight {
public:
virtual void draw(int x, int y) = 0;
};
class ConcreteFlyweight : public Flyweight {
private:
std::string intrinsicState; // 内部状态
public:
ConcreteFlyweight(const std::string& state) : intrinsicState(state) {}
void draw(int x, int y) override {
std::cout << "Drawing with state: " << intrinsicState << " at (" << x << ", " << y << ")" << std::endl;
}
};
class FlyweightFactory {
private:
std::map> pool;
public:
std::shared_ptr getFlyweight(const std::string& key) {
if (pool.find(key) == pool.end()) {
pool[key] = std::make_shared(key);
}
return pool[key];
}
}; 这样就能避免重复创建相同状态的对象了。
实际应用中的注意事项
虽然享元模式节省内存，但也不是什么时候都能用。有几个细节需要注意：
- 外部状态的管理成本可能升高：你必须在使用时动态传入外部状态，这对调用者来说增加了复杂性。
- 线程安全问题：如果多个线程同时访问享元工厂，要注意加锁或者使用线程安全的容器。
- 不要过度共享：不是所有对象都适合共享。如果大部分状态都是外部的，那享元的价值就不大了。
- 性能测试不能少：有时候为了节省一点内存，反而增加了查找和判断的开销，得不偿失。
比如在游戏开发中，地图上的砖块、树木等静态元素非常适合用享元；而角色、怪物这种状态频繁变化的对象就不适合。
基本上就这些。享元模式不是特别难，但在实际设计中容易忽略一些关键点，尤其是状态划分和工厂实现。只要理解清楚内部状态和外部状态的区别，合理使用享元工厂，就能有效提升程序性能。
