结构模式->享元模式

         减少内存浪费。  Sunny软件公司开发人员通过对围棋软件进行分析，发现在围棋棋盘中包含大量的黑子和白子，它们的形状、大小都一模一样，只是出现的位置不同而已。如果将每一个棋子都作为一个独立的对象存储在内存中，将导致该围棋软件在运行时所需内存空间较大，如何降低运行代价、提高系统性能是Sunny公司开发人员需要解决的一个问题。为了解决这个问题，Sunny公司开发人员决定使用享元模式来设计该围棋软件的棋子对象，那么享元模式是如何实现节约内存进而提高系统性能的呢？

        享元模式通过共享技术实现相同或相似对象的重用，在逻辑上每一个出现的字符都有一个对象与之对应，然而在物理上它们却共享同一个享元对象，这个对象可以出现在一个字符串的不同地方，相同的字符对象都指向同一个实例，在享元模式中，存储这些共享实例对象的地方称为享元池(Flyweight Pool)。我们可以针对每一个不同的字符创建一个享元对象，将其放在享元池中，需要时再从享元池取出。如图14-2所示：

图14-2 字符享元对象示意图

      享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用，享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态(Intrinsic State)和外部状态(Extrinsic State)。下面将对享元的内部状态和外部状态进行简单的介绍：

      (1)  内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态，内部状态可以共享。如字符的内容，不会随外部环境的变化而变化，无论在任何环境下字符“a”始终是“a”，都不会变成“b”。

      (2)  外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。享元对象的外部状态通常由客户端保存，并在享元对象被创建之后，需要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。如字符的颜色，可以在不同的地方有不同的颜色，例如有的“a”是红色的，有的“a”是绿色的，字符的大小也是如此，有的“a”是五号字，有的“a”是四号字。而且字符的颜色和大小是两个独立的外部状态，它们可以独立变化，相互之间没有影响，客户端可以在使用时将外部状态注入享元对象中。

      正因为区分了内部状态和外部状态，我们可以将具有相同内部状态的对象存储在享元池中，享元池中的对象是可以实现共享的，需要的时候就将对象从享元池中取出，实现对象的复用。通过向取出的对象注入不同的外部状态，可以得到一系列相似的对象，而这些对象在内存中实际上只存储一份。

      享元模式定义如下：

享元模式(Flyweight Pattern)：运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象，而这些对象都很相似，状态变化很小，可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象，因此它又称为轻量级模式，它是一种对象结构型模式。

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//棋子颜色  
enum PieceColor {BLACK, WHITE};  
//棋子位置  
struct PiecePos  
{  
    int x;  
    int y;  
    PiecePos(int a, int b): x(a), y(b) {}  
};  
//棋子定义  
class Piece  
{  
protected:  
    PieceColor m_color; //颜色  
    PiecePos m_pos;     //位置  
public:  
    Piece(PieceColor color, PiecePos pos): m_color(color), m_pos(pos) {}  
    ~Piece() {}  
    virtual void Draw() {}  
};  
class BlackPiece: public Piece  
{  
public:  
    BlackPiece(PieceColor color, PiecePos pos): Piece(color, pos) {}  
    ~BlackPiece() {}  
    void Draw() { cout<<"绘制一颗黑棋"<<endl;}  
};  
class WhitePiece: public Piece  
{  
public:  
    WhitePiece(PieceColor color, PiecePos pos): Piece(color, pos) {}  
    ~WhitePiece() {}  
    void Draw() { cout<<"绘制一颗白棋"<<endl;}  
};  
        棋盘的定义：
[cpp] view plain copy print?
class PieceBoard  
{  
private:  
    vector<Piece*> m_vecPiece; //棋盘上已有的棋子  
    string m_blackName; //黑方名称  
    string m_whiteName; //白方名称  
public:  
    PieceBoard(string black, string white): m_blackName(black), m_whiteName(white){}  
    ~PieceBoard() { Clear(); }  
    void SetPiece(PieceColor color, PiecePos pos) //一步棋，在棋盘上放一颗棋子  
    {  
        Piece * piece = NULL;  
        if(color == BLACK) //黑方下的  
        {     
            piece = new BlackPiece(color, pos); //获取一颗黑棋  
            cout<<m_blackName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";  
            piece->Draw(); //在棋盘上绘制出棋子  
        }  
        else  
        {     
            piece = new WhitePiece(color, pos);  
            cout<<m_whiteName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";  
            piece->Draw();  
        }  
        m_vecPiece.push_back(piece);  //加入容器中  
    }  
    void Clear() //释放内存  
    {  
        int size = m_vecPiece.size();  
        for(int i = 0; i < size; i++)  
            delete m_vecPiece[i];  
    }  
};  
        客户的使用方式如下：
[cpp] view plain copy print?
int main()  
{  
    PieceBoard pieceBoard("A","B");  
    pieceBoard.SetPiece(BLACK, PiecePos(4, 4));  
    pieceBoard.SetPiece(WHITE, PiecePos(4, 16));  
    pieceBoard.SetPiece(BLACK, PiecePos(16, 4));  
    pieceBoard.SetPiece(WHITE, PiecePos(16, 16));  
}  
       可以发现，棋盘的容器中存放了已下的棋子，而每个棋子包含棋子的所有属性。一盘棋往往需要含上百颗棋子，采用上面这种实现，占用的空间太大了。如何改进呢？用享元模式。其定义为：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
        在围棋中，棋子就是大量细粒度的对象。其属性有内在的，比如颜色、形状等，也有外在的，比如在棋盘上的位置。内在的属性是可以共享的，区分在于外在属性。因此，可以这样设计，只需定义两个棋子的对象，一颗黑棋和一颗白棋，这两个对象含棋子的内在属性；棋子的外在属性，即在棋盘上的位置可以提取出来，存放在单独的容器中。相比之前的方案，现在容器中仅仅存放了位置属性，而原来则是棋子对象。显然，现在的方案大大减少了对于空间的需求。
       关注PieceBoard 的容器，之前是vector<Piece*> m_vecPiece，现在是vector<PiecePos> m_vecPos。这里是关键。
       棋子的新定义，只包含内在属性：
[cpp] view plain copy print?
//棋子颜色  
enum PieceColor {BLACK, WHITE};  
//棋子位置  
struct PiecePos  
{  
    int x;  
    int y;  
    PiecePos(int a, int b): x(a), y(b) {}  
};  
//棋子定义  
class Piece  
{  
protected:  
    PieceColor m_color; //颜色  
public:  
    Piece(PieceColor color): m_color(color) {}  
    ~Piece() {}  
    virtual void Draw() {}  
};  
class BlackPiece: public Piece  
{  
public:  
    BlackPiece(PieceColor color): Piece(color) {}  
    ~BlackPiece() {}  
    void Draw() { cout<<"绘制一颗黑棋
"; }  
};  
class WhitePiece: public Piece  
{  
public:  
    WhitePiece(PieceColor color): Piece(color) {}  
    ~WhitePiece() {}  
    void Draw() { cout<<"绘制一颗白棋
";}  
};  
        相应棋盘的定义为：
[cpp] view plain copy print?
class PieceBoard  
{  
private:  
    vector<PiecePos> m_vecPos; //存放棋子的位置  
    Piece *m_blackPiece;       //黑棋棋子   
    Piece *m_whitePiece;       //白棋棋子  
    string m_blackName;  
    string m_whiteName;  
public:  
    PieceBoard(string black, string white): m_blackName(black), m_whiteName(white)  
    {  
        m_blackPiece = NULL;  
        m_whitePiece = NULL;  
    }  
    ~PieceBoard() { delete m_blackPiece; delete m_whitePiece;}  
    void SetPiece(PieceColor color, PiecePos pos)  
    {  
        if(color == BLACK)  
        {  
            if(m_blackPiece == NULL)  //只有一颗黑棋  
                m_blackPiece = new BlackPiece(color);     
            cout<<m_blackName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";  
            m_blackPiece->Draw();  
        }  
        else  
        {  
            if(m_whitePiece == NULL)  
                m_whitePiece = new WhitePiece(color);  
            cout<<m_whiteName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";  
            m_whitePiece->Draw();  
        }  
        m_vecPos.push_back(pos);  
    }  
};  
       客户的使用方式一样，这里不重复给出，现在给出享元模式的UML图，以围棋为例。棋盘中含两个共享的对象，黑棋子和白棋子，所有棋子的外在属性都存放在单独的容器中。