新谈设计模式 Chapter 11 — 享元模式

Chapter 11 — 享元模式 Flyweight

灵魂速记：共享单车——大家骑同一批车，不用每人买一辆。

秒懂类比

一个城市有 100 万人要骑自行车，你不需要造 100 万辆。造 5 万辆共享单车，谁用谁骑，用完还回去。

享元模式的核心：把大量对象中相同的部分提取出来共享，减少内存占用。

问题引入

// 灾难现场：游戏中 10000 棵树classTree{doublex_,y_;// 位置（每棵不同）std::string name_;// "Oak"（很多棵一样）std::string color_;// "green"（很多棵一样）Texture texture_;// 1MB 大小的纹理！（很多棵一样）};// 10000 棵树 × 1MB 纹理 = 10GB 内存// 💥 内存爆炸！

观察：10000 棵树中，可能只有 3 种类型（橡树、松树、桦树）。每种树的纹理是一样的，没必要存 10000 份！

内在状态 vs 外在状态

模式结构

┌────────────────┐ │ FlyweightFactory│ ← 管理共享对象的池子 ├────────────────┤ │ +getFlyweight()│ ← 有就复用，没有才创建 └───────┬────────┘ │ 返回 ┌───────┴────────┐ │ Flyweight │ ← 共享的对象（内在状态） ├────────────────┤ │ -intrinsicState│ │ +operation( │ │ extrinsicState)│ ← 外在状态从外部传入 └────────────────┘

C++ 实现

#include<iostream>#include<memory>#include<string>#include<unordered_map>#include<vector>// ========== 享元：树的类型（共享部分） ==========classTreeType{public:TreeType(std::string name,std::string color,std::string textureData):name_(std::move(name)),color_(std::move(color)),textureData_(std::move(textureData)){std::cout<<" [创建纹理] "<<name_<<" ("<<textureData_.size()<<" bytes)\n";}voiddraw(doublex,doubley)const{std::cout<<" 画 "<<name_<<"("<<color_<<") at ("<<x<<", "<<y<<")\n";}private:std::string name_;// 内在状态std::string color_;// 内在状态std::string textureData_;// 内在状态（大对象！）};// ========== 享元工厂 ==========classTreeTypeFactory{public:staticstd::shared_ptr<TreeType>getTreeType(conststd::string&name,conststd::string&color){std::string key=name+"_"+color;autoit=cache_.find(key);if(it!=cache_.end()){returnit->second;// 已有，直接复用}// 没有，创建新的（模拟大纹理数据）autotype=std::make_shared<TreeType>(name,color,std::string(1024*1024,'#'));// 模拟 1MBcache_[key]=type;returntype;}staticsize_ttypeCount(){returncache_.size();}private:// static inline：C++17 特性，允许在类内直接初始化静态成员变量。// 没有 inline 的话，你得在 .cpp 文件里写 std::unordered_map<...> TreeTypeFactory::cache_;// 有了 inline，声明和定义合一，和 Ch01 讲的 inline 变量是同一个道理。staticinlinestd::unordered_map<std::string,std::shared_ptr<TreeType>>cache_;};// ========== 具体的树（外在状态 + 享元引用） ==========classTree{public:Tree(doublex,doubley,std::shared_ptr<TreeType>type):x_(x),y_(y),type_(std::move(type)){}voiddraw()const{type_->draw(x_,y_);// 把外在状态传给享元}private:doublex_,y_;// 外在状态（每棵树不同）std::shared_ptr<TreeType>type_;// 指向共享的享元};// ========== 森林 ==========classForest{public:voidplantTree(doublex,doubley,conststd::string&name,conststd::string&color){autotype=TreeTypeFactory::getTreeType(name,color);trees_.emplace_back(x,y,type);}voiddraw()const{for(constauto&tree:trees_){tree.draw();}}size_ttreeCount()const{returntrees_.size();}private:std::vector<Tree>trees_;};intmain(){Forest forest;std::cout<<"=== 种树 ===\n";// 种 1000 棵树，但只有 3 种类型for(inti=0;i<500;++i){forest.plantTree(i*1.0,i*0.5,"Oak","green");}for(inti=0;i<300;++i){forest.plantTree(i*2.0,i*1.0,"Pine","dark_green");}for(inti=0;i<200;++i){forest.plantTree(i*0.5,i*3.0,"Birch","white");}std::cout<<"\n=== 统计 ===\n";std::cout<<"树的总数: "<<forest.treeCount()<<"\n";std::cout<<"树类型数: "<<TreeTypeFactory::typeCount()<<"\n";std::cout<<"无享元内存: "<<forest.treeCount()<<" MB (每棵 1MB 纹理)\n";std::cout<<"有享元内存: "<<TreeTypeFactory::typeCount()<<" MB (只有 "<<TreeTypeFactory::typeCount()<<" 份纹理)\n";// 节省了 997MB！}

输出：

=== 种树 === [创建纹理] Oak (1048576 bytes) [创建纹理] Pine (1048576 bytes) [创建纹理] Birch (1048576 bytes) === 统计 === 树的总数: 1000 树类型数: 3 无享元内存: 1000 MB (每棵 1MB 纹理) 有享元内存: 3 MB (只有 3 份纹理)

1000 棵树，只创建了 3 个纹理对象。内存节省 99.7%。

什么时候用？

经验法则：对象数量在千级以上，且有大量重复数据时再考虑。

防混淆

Flyweight vs Singleton

一句话分清：Singleton 保证只有 1 个，Flyweight 保证共享不重复。

Flyweight vs 对象池

现实中的 Flyweight