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  • C++设计模式——享元模式

    什么是享元模式？

    在GOF的《设计模式:可复用面向对象软件的基础》一书中对享元模式是这样说的：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

    就如上面说的棋子，如果每个棋子都new一个对象，就会存在大量细粒度的棋子对象，这对服务器的内存空间是一种考验，也是一种浪费。我们都知道，比如我在2013号房间和别人下五子棋，2014号房间也有人在下五子棋，并不会因为我在2013号房间，而别人在2014号房间，而导致我们的棋子是不一样的。这就是说，2013号房间和2014号房间的棋子都是一样的，所有的五子棋房间的棋子都是一样的。唯一的不同是每个棋子在不同的房间的不同棋盘的不同位置上。所以，对于棋子来说，我们不用放一个棋子就new一个棋子对象，只需要在需要的时候，去请求获得对应的棋子对象，如果没有，就new一个棋子对象；如果有了，就直接返回棋子对象。这里以五子棋为例子，进行分析，当玩家在棋盘上放入第一个白色棋子时，此时由于没有白色棋子，所以就new一个白色棋子；当另一个玩家放入第一个黑色棋子时，此时由于没有黑色棋子，所以就需要new一个黑色棋子；当玩家再次放入一个白色棋子时，就去查询是否有已经存在的白色棋子对象，由于第一次已经new了一个白色棋子对象，所以，现在不会再次new一个白色棋子对象，而是返回以前new的白色棋子对象；对于黑色棋子，亦是同理；获得了棋子对象，我们只需要设置棋子的不同棋盘位置即可。

     

    UML类图

    Flyweight：描述一个接口，通过这个接口flyweight可以接受并作用于外部状态；

    ConcreteFlyweight：实现Flyweight接口，并为定义了一些内部状态，ConcreteFlyweight对象必须是可共享的；同时，它所存储的状态必须是内部的；即，它必须独立于ConcreteFlyweight对象的场景；

    UnsharedConcreteFlyweight：并非所有的Flyweight子类都需要被共享。Flyweight接口使共享成为可能，但它并不强制共享。

    FlyweightFactory：创建并管理flyweight对象。它需要确保合理地共享flyweight；当用户请求一个flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例，如果请求的实例不存在的情况下，就新创建一个实例；

    Client：维持一个对flyweight的引用；同时，它需要计算或存储flyweight的外部状态。

     

    实现要点

    根据我们的经验，当要将一个对象进行共享时，就需要考虑到对象的状态问题了；不同的客户端获得共享的对象之后，可能会修改共享对象的某些状态；大家都修改了共享对象的状态，那么就会出现对象状态的紊乱。对于享元模式，在实现时一定要考虑到共享对象的状态问题。那么享元模式是如何实现的呢？

    在享元模式中，有两个非常重要的概念：内部状态和外部状态。

    内部状态存储于flyweight中，它包含了独立于flyweight场景的信息，这些信息使得flyweight可以被共享。而外部状态取决于flyweight场景，并根据场景而变化，因此不可共享。用户对象负责在必要的时候将外部状态传递给flyweight。

    flyweight执行时所需的状态必定是内部的或外部的。内部状态存储于ConcreteFlyweight对象之中；而外部对象则由Client对象存储或计算。当用户调用flyweight对象的操作时，将该状态传递给它。同时，用户不应该直接对ConcreteFlyweight类进行实例化，而只能从FlyweightFactory对象得到ConcreteFlyweight对象，这可以保证对它们适当地进行共享；由于共享一个实例，所以在创建这个实例时，就可以考虑使用单例模式来进行实现。

    享元模式的工厂类维护了一个实例列表，这个列表中保存了所有的共享实例；当用户从享元模式的工厂类请求共享对象时，首先查询这个实例表，如果不存在对应实例，则创建一个；如果存在，则直接返回对应的实例。

     

    代码实现

      1 #include <iostream>
  2 #include <map>
  3 #include <vector>
  4 using namespace std;
  5 
  6 typedef struct pointTag
  7 {
  8     int x;
  9     int y;
 10 
 11     pointTag(){}
 12     pointTag(int a, int b)
 13     {
 14         x = a;
 15     y = b;
 16     }
 17 
 18     bool operator <(const pointTag& other) const
 19     {
 20         if (x < other.x)
 21         {
 22             return true;
 23         }
 24         else if (x == other.x)
 25         {
 26             return y < other.y;
 27         }
 28 
 29         return false;
 30     }
 31 }POINT;
 32 
 33 typedef enum PieceColorTag
 34 {
 35     BLACK,
 36     WHITE
 37 }PIECECOLOR;
 38 
 39 class CPiece
 40 {
 41 public:
 42     CPiece(PIECECOLOR color) : m_color(color){}
 43     PIECECOLOR GetColor() { return m_color; }
 44 
 45     // Set the external state
 46     void SetPoint(POINT point) { m_point = point; }
 47     POINT GetPoint() { return m_point; }
 48 
 49 protected:
 50     // Internal state
 51     PIECECOLOR m_color;
 52 
 53     // external state
 54     POINT m_point;
 55 };
 56 
 57 class CGomoku : public CPiece
 58 {
 59 public:
 60     CGomoku(PIECECOLOR color) : CPiece(color){}
 61 };
 62 
 63 class CPieceFactory
 64 {
 65 public:
 66     CPiece *GetPiece(PIECECOLOR color)
 67     {
 68         CPiece *pPiece = NULL;
 69     if (m_vecPiece.empty())
 70     {
 71         pPiece = new CGomoku(color);
 72         m_vecPiece.push_back(pPiece);
 73     }
 74     else
 75     {
 76         for (vector<CPiece *>::iterator it = m_vecPiece.begin(); it != m_vecPiece.end(); ++it)
 77         {
 78             if ((*it)->GetColor() == color)
 79         {
 80             pPiece = *it;
 81             break;
 82         }
 83         }
 84         if (pPiece == NULL)
 85         {
 86         pPiece = new CGomoku(color);
 87         m_vecPiece.push_back(pPiece);
 88         }
 89      }
 90         return pPiece;
 91     }    
 92 
 93     ~CPieceFactory()
 94     {
 95         for (vector<CPiece *>::iterator it = m_vecPiece.begin(); it != m_vecPiece.end(); ++it)
 96         {
 97             if (*it != NULL)
 98         {
 99         delete *it;
100         *it = NULL;
101         }
102     }
103     }
104 
105 private:
106     vector<CPiece *> m_vecPiece;
107 };
108 
109 class CChessboard
110 {
111 public:
112     void Draw(CPiece *piece)
113     {
114     if (piece->GetColor())
115     {
116             cout<<"Draw a White"<<" at ("<<piece->GetPoint().x<<","<<piece->GetPoint().y<<")"<<endl;
117     }
118     else
119     {
120         cout<<"Draw a Black"<<" at ("<<piece->GetPoint().x<<","<<piece->GetPoint().y<<")"<<endl;
121     }
122     m_mapPieces.insert(pair<POINT, CPiece *>(piece->GetPoint(), piece));
123     }
124 
125     void ShowAllPieces()
126     {
127         for (map<POINT, CPiece *>::iterator it = m_mapPieces.begin(); it != m_mapPieces.end(); ++it)
128     {
129             if (it->second->GetColor())
130         {
131         cout<<"("<<it->first.x<<","<<it->first.y<<") has a White chese."<<endl;
132         }
133         else
134         {
135         cout<<"("<<it->first.x<<","<<it->first.y<<") has a Black chese."<<endl;
136         }
137     }
138     }
139 
140 private:
141     map<POINT, CPiece *> m_mapPieces;
142 };
143 
144 int main()
145 {
146     CPieceFactory *pPieceFactory = new CPieceFactory();
147     CChessboard *pCheseboard = new CChessboard();
148 
149     // The player1 get a white piece from the pieces bowl
150     CPiece *pPiece = pPieceFactory->GetPiece(WHITE);
151     pPiece->SetPoint(POINT(2, 3));
152     pCheseboard->Draw(pPiece);
153 
154     // The player2 get a black piece from the pieces bowl
155     pPiece = pPieceFactory->GetPiece(BLACK);
156     pPiece->SetPoint(POINT(4, 5));
157     pCheseboard->Draw(pPiece);
158 
159     // The player1 get a white piece from the pieces bowl
160     pPiece = pPieceFactory->GetPiece(WHITE);
161     pPiece->SetPoint(POINT(2, 4));
162     pCheseboard->Draw(pPiece);
163 
164     // The player2 get a black piece from the pieces bowl
165     pPiece = pPieceFactory->GetPiece(BLACK);
166     pPiece->SetPoint(POINT(3, 5));
167     pCheseboard->Draw(pPiece);
168 
169     /*......*/
170 
171     //Show all cheses
172     cout<<"Show all cheses"<<endl;
173     pCheseboard->ShowAllPieces();
174 
175     if (pCheseboard != NULL)
176     {
177      delete pCheseboard;
178     pCheseboard = NULL;
179     }
180     if (pPieceFactory != NULL)
181     {
182     delete pPieceFactory;
183     pPieceFactory = NULL;
184     }
185 }

    内部状态包括棋子的颜色，外部状态包括棋子在棋盘上的位置。最终，我们省去了多个实例对象存储棋子颜色的空间，从而达到了空间的节约。

    在上面的代码中，我建立了一个CCheseboard用于表示棋盘，棋盘类中保存了放置的黑色棋子和白色棋子；这就相当于在外部保存了共享对象的外部状态；对于棋盘对象，我们是不是又可以使用享元模式呢？再设计一个棋局类进行管理棋盘上的棋子布局，用来保存外部状态。对于这个，这里不进行讨论了。

     

    优点

    享元模式可以避免大量非常相似对象的开销。在程序设计时，有时需要生成大量细粒度的类实例来表示数据。如果能发现这些实例数据除了几个参数外基本都是相同的，使用享元模式就可以大幅度地减少对象的数量。

     

    使用场合

    Flyweight模式的有效性很大程度上取决于如何使用它以及在何处使用它。当以下条件满足时，我们就可以使用享元模式了。

    1. 一个应用程序使用了大量的对象；
    2. 完全由于使用大量的对象，造成很大的存储开销；
    3. 对象的大多数状态都可变为外部状态；
    4. 如果删除对象的外部状态，那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象。

     

    扩展

    之前总结了组合模式组合模式，现在回过头来看看，享元模式就好比在组合模式的基础上加上了一个工厂类，进行共享控制。是的，组合模式有的时候会产生很多细粒度的对象，很多时候，我们会将享元模式和组合模式进行结合使用。

     

    总结

    使用享元模式可以避免大量相似对象的开销，减小了空间消耗；而空间的消耗是由以下几个因素决定的：

    1. 实例对象减少的数目；
    2. 对象内部状态的数目；对象内部状态越多，消耗的空间也会越少；
    3. 外部状态是计算的还是存储的；由于外部状态可能需要存储，如果外部状态存储起来，那么空间的节省就不会太多。

    共享的Flyweight越多，存储节约也就越多，节约量随着共享状态的增多而增大。当对象使用大量的内部及外部状态，并且外部状态是计算出来的而非存储的时候，节约量将达到最大。所以，可以使用两种方法来节约存储：用共享减少内部状态的消耗；用计算时间换取对外部状态的存储。

    同时，在实现的时候，一定要控制好外部状态与共享对象的对应关系，比如我在代码实现部分，在CCheseboard类中使用了一个map进行彼此之间的映射，这个映射在实际开发中需要考虑的。
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