Flyweight 模式 -GoF 23 种设计模式精解系列-附 C++实现源码

前言

尊重原创，本系列文本解析部分主要基于Candidate for Master’s Degree School of Computer Wuhan University的K_Eckel（[email protected]）《设计模式精解-GoF 23 种设计模式解析附 C++实现源码》。为了避免重造轮子，本系列博文对源码在ubuntu16.04下做了验证并上传到了gitee，再次感谢。

如有问题，可邮件联系我([email protected])并共同探讨解决方案。

Flyweight 模式简介：

享元模式（Flyweight Pattern）主要用于减少创建对象的数量，以减少内存占用和提高性能。这种类型的设计模式属于结构型模式，它提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。

享元模式尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，则创建新对象。
使用场景： 1、系统有大量相似对象。 2、需要缓冲池的场景。

问题

在面向对象系统的设计何实现中，创建对象是最为常见的操作。这里面就有一个问题：
如果一个应用程序使用了太多的对象，就会造成很大的存储开销。特别是对于大量轻量级（细粒度）的对象，比如在文档编辑器的设计过程中，我们如果为没有字母创建一个对象的话，系统可能会因为大量的对象而造成存储开销的浪费。例如一个字母“a”在文档中出现了100000 次，而实际上我们可以让这一万个字母“a” 共享一个对象，当然因为在不同的位置，可能字母“ a” 有不同的显示效果（例如字体和大小等设置不同），在这种情况我们可以为将对象的状态分为“外部状态”和“ 内部状态”，将可以被共享（不会变化）的状态作为内部状态存储在对象中，而外部对象（例如上面提到的字体、大小等）我们可以在适当的时候将外部对象最为参数传递给对象（例如在显示的时候，将字体、大小等信息传递给对象）。

模式选择

上面解决问题的方式被称作 Flyweight 模式解决上面的问题，其典型的结构图为：

图 1:Flyweight Pattern 结构图

实现

完整代码示例（ code）

Flyweight 模式完整的实现代码(所有代码采用 C++实现,并在 Visual Studio Code，Version: 1.36.1 下测试运行)。
源码gitee地址：点击这里

代码目录结构：

PS C:\Users\guopz\Desktop\GiteeBlog\designpatternsbycpipei\structuralPattern\Flyweight> tree /F
卷 Windows 的文件夹 PATH 列表
卷序列号为 F0C5-AFA6
C:.
├─include
│      Flyweight.h
│      FlyweightFactory.h
│
└─src
        a.out
        Flyweight.cpp
        FlyweightFactory.cpp
        main.cpp

PS C:\Users\guopz\Desktop\GiteeBlog\designpatternsbycpipei\structuralPattern\Flyweight>

Flyweight.h:

// Flyweight.h

#ifndef _FLYWEIGHT_H_
#define _FLYWEIGHT_H_

#include <string>

using namespace std;

class Flyweight {
 private:
  string _intrinsicState;

 protected:
  Flyweight(string intrinsicState);

 public:
  Flyweight(/* args */);
  virtual ~Flyweight();

  virtual void Operation(const string& extrinsicState);
  string GetIntrinsicState();
};

class ConcreteFlyweight : public Flyweight {
 private:
  /* data */

 public:
  ConcreteFlyweight(string intrinsicState);
  ~ConcreteFlyweight();
  virtual void Operation(const string& extrinsicState);
};

#endif  //~_FLYWEIGHT_H_

FlyweightFactory.h:

// FlyweightFactory.h

#ifndef _FLYWEIGHTFACTORY_H_
#define _FLYWEIGHTFACTORY_H_

#include <string>
#include <vector>
#include "Flyweight.h"

using namespace std;

class FlyweightFactory {
 private:
  vector<Flyweight*> _fly;

 public:
  FlyweightFactory(/* args */);
  ~FlyweightFactory();

  Flyweight* GetFlyweight(const string& key);
};

#endif  //~_FLYWEIGHTFACTORY_H_

Flyweight.cpp:

// Flyweight.cpp

#include "../include/Flyweight.h"
#include <iostream>

using namespace std;

Flyweight::Flyweight(string intrinsicState) { this->_intrinsicState = intrinsicState; }
Flyweight::~Flyweight() {}
void Flyweight::Operation(const string& extrinsicState) {}
string Flyweight::GetIntrinsicState() { return this->_intrinsicState; }

ConcreteFlyweight::ConcreteFlyweight(string intrinsicState) : Flyweight(intrinsicState) {
  cout<<"ConcreteFlyweight Build....."<<intrinsicState<<endl;
}
ConcreteFlyweight::~ConcreteFlyweight() {}
void ConcreteFlyweight::Operation(const string& extrinsicState) {
  cout << "ConcreteFlyweight: 内 蕴[" << this->GetIntrinsicState() << "] 外 蕴[" << extrinsicState
       << "]" << endl;
}

FlyweightFactory.cpp

// FlyweightFactory.cpp

#include "../include/FlyweightFactory.h"
#include <cassert>
#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

FlyweightFactory::FlyweightFactory(/* args */) {}
FlyweightFactory::~FlyweightFactory() {}
Flyweight* FlyweightFactory::GetFlyweight(const string& key) {
  vector<Flyweight*>::iterator it = _fly.begin();

  for (; it != _fly.end(); it++) {
    //找到了,就一起用,^_^
    if ((*it)->GetIntrinsicState() == key) {
      printf("already created by users... \n");

      return *it;
    }
  }

  Flyweight* fn = new ConcreteFlyweight(key);
  _fly.push_back(fn);

  return fn;
}

main.cpp

// main.cpp
#include <iostream>
#include "../include/Flyweight.h"
#include "../include/FlyweightFactory.h"

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
  FlyweightFactory* fc = new FlyweightFactory();
  Flyweight* fw1 = fc->GetFlyweight("hello");
  Flyweight* fw2 = fc->GetFlyweight("world!");
  Flyweight* fw3 = fc->GetFlyweight("hello");

  return 0;
}

代码说明

Flyweight 模式在实现过程中主要是要为共享对象提供一个存放的“仓库”（对象池），这里是通过 C++ STL 中 Vector 容器，当然就牵涉到 STL 编程的一些问题（ Iterator 使用等）。
另外应该注意的就是对对象“仓库”（对象池）的管理策略（查找、插入等），这里是通过直接的顺序遍历实现的，当然我们可以使用其他更加有效的索引策略，例如 Hash 表的管理策略，当时这些细节已经不是 Flyweight 模式本身要处理的了。

编译运行结果：

PS C:\Users\guopz\Desktop\GiteeBlog\designpatternsbycpipei\structuralPattern\Flyweight\src> g++ *.cpp -std=c++11
PS C:\Users\guopz\Desktop\GiteeBlog\designpatternsbycpipei\structuralPattern\Flyweight\src> .\a.exe
ConcreteFlyweight Build.....hello
ConcreteFlyweight Build.....world!
already created by users...
PS C:\Users\guopz\Desktop\GiteeBlog\designpatternsbycpipei\structuralPattern\Flyweight\src>

讨论

我们在 State 模式和 Strategy 模式中会产生很多的对象，因此我们可以通过 Flyweight 模式来解决这个问题。

前言

目录

创建型模式(Creating Pattern)

结构型模式（Structrual Pattern）

行为型模式（Behavioral Pattern）