設計模式(11) 享元模式

来源:https://www.cnblogs.com/zhixin9001/archive/2020/07/24/13374441.html
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基於面向對象思想設計的應用程式有時遇到需要場景大量相同或顯示對象實例的場景,這些數量龐大的實例很可能會消耗很多系統資源,最直接的就是記憶體了。比如要一款圍棋游戲,如果每次落子都新建一個對象,將會占用大量記憶體,而實際上棋子只有黑白兩色,不同的只是落子位置而已。另外,大量的主動型對象還會占用很多CPU和顯 ...


基於面向對象思想設計的應用程式有時遇到需要場景大量相同或顯示對象實例的場景,這些數量龐大的實例很可能會消耗很多系統資源,最直接的就是記憶體了。比如要一款圍棋游戲,如果每次落子都新建一個對象,將會占用大量記憶體,而實際上棋子只有黑白兩色,不同的只是落子位置而已。另外,大量的主動型對象還會占用很多CPU和顯卡的計算資源,舉個極端的例子,某個游戲的沙漠場景,為了使游戲具有豐富的視覺效果,要求每一粒沙子都要隨著光線而有不同的呈現效果不同,這時候直接new當然也是不現實的。

享元模式

享元模式提供了一種針對這類場景的解決方案。它通過共用已經存在的對象來大幅度減少需要創建的對象數量、避免大量相似對象的開銷,從而提高系統資源的利用率,支持大量細粒度對象的復用。

UML類圖:
享元模式 UML類圖

代碼實現

public abstract class Flyweight
{
    //內部狀態
    public string Instrinsic { get; set; }
    //外部狀態
    protected string Extrinsic { get; set; }

    public Flyweight(string extrinsic)
    {
        this.Extrinsic = extrinsic;
    }

    //定義業務操作
    public abstract void Operate(int id);
}

public class ConcreteFlyweight : Flyweight
{
    //接受外部狀態
    public ConcreteFlyweight(String extrinsic) : base(extrinsic)
    {
    }

    //根據外部狀態進行邏輯處理
    public override void Operate(int id)
    {
        Console.WriteLine("Flyweight:" + id);
    }
}

public class UnsharedConcreteFlyweight : Flyweight
{

    public UnsharedConcreteFlyweight(String extrinsic) : base(extrinsic)
    {
    }

    public override void Operate(int id)
    {
        Console.WriteLine("不共用的Flyweight:" + id);
    }
}

public class FlyweightFactory
{
    //定義一個池容器
    private static Dictionary<String, Flyweight> pool = new Dictionary<String, Flyweight>();

    //享元工廠
    public static Flyweight GetFlyweight(string extrinsic)
    {
        Flyweight flyweight = null;
        if (pool.ContainsKey(extrinsic))
        {
            flyweight = pool[extrinsic];
            Console.Write($"已有{extrinsic} ");
        }
        else
        {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(extrinsic);
            pool.Add(extrinsic, flyweight);
            Console.Write($"新建{extrinsic} ");
        }
        return flyweight;
    }
}

享元模式的核心是用一個池容器來緩存需要共用的對象,C#可以用Dictionary來實現。

內部狀態與外部狀態
由於這些數量較大的細粒度對象有著相近的性質,為了能共用這些對象,需要將這些對象的信息分為兩個部分:內部狀態和外部狀態。

  • 內部狀態指對象共用出來的信息,存儲在享元對象內部並且不會隨環境的改變而改變;
  • 外部狀態指會隨環境改變而改變的、不可共用的狀態。
    比如前面圍棋的例子中,棋子的黑白兩色就可作為內部狀態,落子位置則是外部狀態,將內部狀態(黑、白兩色)作為對象間的本質區別,只需要兩個對象就可以了,然後配合外部狀態(落子位置)的變化,就可以表示全部的棋子。

圍棋例子的誤導
使用圍棋這個例子會容易讓人產生一個困惑:既然實際上只有兩個對象(黑、白),那麼是如何讓同一個對象即出現在位置A,又出現在位置B的呢?難不成像薛定諤的貓那樣,可以有多種狀態?
實際上這裡所謂的共用對象,共用的應該是對象的行為。在圍棋游戲中可以理解為,在畫布上繪製的棋子圖案。每個棋子對象都有個繪製棋子圖案的行為,通過設置不同的外部狀態(落子位置),就棋子的繪圖行為就會在畫布上不同的位置繪製圖案。

享元模式的適用場景

  • 系統中有大量對象。
  • 這些對象消耗大量記憶體。
  • 這些對象的狀態大部分可以外部化。
  • 這些對象可以按照內部狀態分為很多組,當把外部對象從對象中剔除出來時,每一組對象都可以用一個對象來代替。
  • 系統不依賴於這些對象的身份,這些對象是不可分辨的。

享元模式的優缺點

優點

  • 大大減少對象的創建,降低系統的資源占用,提高效率。
  • 由於抽離出了外部狀態和內部狀態,外部狀態相對獨立,不會影響到內部狀態,所以享元模式使得享元對象能夠在不同的環境被共用。
    缺點
  • 增加了系統的複雜度,需要分離出外部狀態和內部狀態,而且外部狀態具有固有化的性質,不應該隨著內部狀態的變化而變化,否則會造成系統的混亂。
  • 為了使對象可以共用,享元模式需要將享元對象的狀態外部化,而讀取外部狀態使得運行時間變長。

參考書籍:
王翔著 《設計模式——基於C#的工程化實現及擴展》


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