C++实现计划模式---享元模式 (Flyweight)
享元模式 (Flyweight)享元模式 是一种结构型计划模式，它通过共享对象来减少内存利用和对象创建的开销。当系统中有大量相似对象时，享元模式可以制止重复创建相同对象，从而节流内存。
意图
[*]通过共享相同对象来减少内存消耗。
[*]用于系统中存在大量相似对象的场景。
利用场景
[*] 大量相似对象：
[*]系统中存在许多共享的对象，这些对象的状态大部门是相同的。
[*] 状态可以分为内部状态和外部状态：
[*]内部状态：可以被共享的部门，不会随上下文变化。
[*]外部状态：特定于场景的部门，不可共享，需要由客户端管理。
[*] 节流内存：
[*]系统需要大量创建对象，但内存开销成为瓶颈。
参与者角色
[*] 享元接口 (Flyweight)
[*]定义共享对象的公共接口。
[*] 具体享元 (ConcreteFlyweight)
[*]实现享元接口，存储可以共享的内部状态。
[*] 非共享享元 (UnsharedFlyweight)
[*]不可以共享的子类，通常会组合共享的享元对象。
[*] 享元工厂 (FlyweightFactory)
[*]创建并管理享元对象，确保共享对象的唯一性。
[*] 客户端 (Client)
[*]负责管理外部状态，并将外部状态与享元对象结合利用。
示例代码
以下代码展示了怎样利用享元模式来共享图形对象，例如圆形。
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <memory>
// 享元接口：图形
class Shape {
public:
virtual ~Shape() = default;
virtual void draw(const std::string& color) const = 0; // 外部状态为颜色
};
// 具体享元类：圆形
class Circle : public Shape {
private:
int radius; // 内部状态：半径
public:
Circle(int r) : radius(r) {}
void draw(const std::string& color) const override {
std::cout << "Drawing a circle with radius " << radius << " and color " << color << std::endl;
}
};
// 享元工厂：管理享元对象
class ShapeFactory {
private:
std::unordered_map<int, std::shared_ptr<Shape>> shapes; // 缓存共享对象
public:
std::shared_ptr<Shape> getCircle(int radius) {
if (shapes.find(radius) == shapes.end()) {
shapes = std::make_shared<Circle>(radius);
std::cout << "Creating a circle with radius " << radius << std::endl;
}
return shapes;
}
};
// 客户端代码
int main() {
ShapeFactory factory;
// 获取共享的圆形对象
auto circle1 = factory.getCircle(5);
auto circle2 = factory.getCircle(10);
auto circle3 = factory.getCircle(5); // 共享对象
// 使用享元对象绘制
circle1->draw("red"); // 外部状态：红色
circle2->draw("blue");// 外部状态：蓝色
circle3->draw("green"); // 外部状态：绿色
return 0;
}
代码解析
1. 享元接口 (Shape)
[*]定义了 draw 方法，用于绘制图形，并吸取外部状态作为参数：
class Shape {
public:
virtual ~Shape() = default;
virtual void draw(const std::string& color) const = 0;
};
2. 具体享元类 (Circle)
[*]实现了 Shape 接口，存储可以共享的内部状态（如半径）：
class Circle : public Shape {
private:
int radius; // 内部状态
public:
Circle(int r) : radius(r) {}
void draw(const std::string& color) const override {
std::cout << "Drawing a circle with radius " << radius << " and color " << color << std::endl;
}
};
3. 享元工厂 (ShapeFactory)
[*]负责管理享元对象，包管相同的内部状态只创建一个对象：
class ShapeFactory {
private:
std::unordered_map<int, std::shared_ptr<Shape>> shapes; // 缓存共享对象
public:
std::shared_ptr<Shape> getCircle(int radius) {
if (shapes.find(radius) == shapes.end()) {
shapes = std::make_shared<Circle>(radius);
std::cout << "Creating a circle with radius " << radius << std::endl;
}
return shapes;
}
};
4. 客户端
[*]客户端通过 ShapeFactory 获取共享对象，并将外部状态与内部状态结合：
auto circle1 = factory.getCircle(5); // 创建新对象
auto circle3 = factory.getCircle(5); // 复用已有对象
circle1->draw("red"); // 绘制红色圆形
circle3->draw("green"); // 绘制绿色圆形
优缺点
优点
[*]减少内存利用：
[*]通过共享对象，制止了重复创建相同对象，节流了内存。
[*]提高系统性能：
[*]减少了对象创建的时间和空间开销。
[*]灵活性高：
[*]外部状态与内部状态分离，可以独立管理。
缺点
[*]复杂性增加：
[*]系统需要额外的享元工厂来管理共享对象。
[*]外部状态的管理困难：
[*]客户端需要显式通报外部状态，增加了利用复杂性。
实用场景
[*] 系统有大量相似对象：
[*]如笔墨处理系统中的字符对象，每个字符对象可以共享其字体、巨细等内部状态。
[*] 内存消耗成为瓶颈：
[*]系统中对象数量巨大，通过共享来减少内存占用。
[*] 对象的状态可以分为内部状态和外部状态：
[*]内部状态可以共享，外部状态由客户端管理。
总结
享元模式通过共享相似对象来减少内存利用，是一种优化性能的告急模式。它实用于对象数量巨大且状态大部门可以共享的场景。
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