DesignPattern/12.FlyweightPattern/FlyweightPattern.md

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细粒度对象的大面积复用~——实例分析享元模式

知道围棋吗?不会下围棋那总见过吧?四四方方的棋盘上,白色棋子和黑色棋子分布在棋盘的各个位置上。
棋子与棋子之间的区别是什么?除了颜色和位置,好像没什么不同了吧!也就是说,每个棋子对象的大部分状态都是一样的(形状、材料、质地等)。如果我们要设计一个程序来实现下围棋的功能,该如何来创建或者表示这上百个棋子对象呢?

类似的你想输入一段英文段落无论每个单词再长再复杂也无非都是由26个字母中的几个组成的。上述两个示例的共同点在于整个环境中存在大量相同或者相似的、需要重复使用的对象。针对这样的场景,面向对象设计中有一类值得借鉴的设计模式是不错的解决方案——享元模式

1.享元模式简介

如果一个系统在运行时创建太多相同或者相似的对象,会占用大量内存和资源,降低系统性能。享元模式通过共享技术实现相同或相似的细粒度对象的复用,提供一个享元池存储已经创建好的对象,并通过享元工厂类将享元对象提供给客户端使用

享元模式:
运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。

享元模式要求被共享的对象必须是细粒度对象。如上面提到的输入英文段落的例子26个字母可能随时被客户重复使用。尽管每个字母可能出现的位置不一样但在物理上它们共享同一个对象同一个实例。利用享元模式可以创建一个存储26个字母对象的享元池需要时从享元池中取出。

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享元对象能够做到共享的关键在于区分了内部状态和外部状态:

  • 内部状态存储在享元对象内部不会随着环境的改变而改变的内部状态可以共享。比如围棋中棋子的形状、大小不会随着外部变化而变化比如字母A无论谁使用都是A不会变化
  • 外部状态随环境变化而变化、不可以共享的状态如棋子的位置、颜色如每个字母的位置。外部状态一般由客户端保存在使用时再传入到享元对象内部。不同的外部状态之间是相互独立的棋子A和棋子B的位置可以不同并且不会相互影响。

2.享元模式结构

享元模式常常结合工厂模式一起使用,其结构包含抽象享元类、具体享元类、非共享具体享元类和享元工厂类:

  • Flyweight抽象享元类:是一个抽象类,声明了具体享元类公共的方法,这些方法可以向外部提供享元对象的内部状态数据,也可以通过这些方法设置外部状态;
  • ConcreteFlyweight具体享元类:具体实现抽象享元类声明的方法,具体享元类中为内部状态提供存储空间。具体享元类常常结合单例模式来设计实现,保证每个享元类对象只被创建一次,为每个具体享元类提供唯一的享元对象。
  • UnsharedConcreteFlyweight非共享具体享元类:并不是所有抽象享元类的子类都需要被共享,可以将这些类设计为非共享具体享元类;
  • FlyweightFactory享元工厂类:用于创建并管理享元对象,针对抽象享元类编程,将各种具体享元类对象存储在一个享元池中,享元池一般设计为一个存储键值对的集合(或者其他类型的集合),可结合工厂模式设计。客户需要某个享元对象时,如果享元池中已有该对象实例,则返回该实例,否则创建一个新的实例,给客户返回新的实例,并将新实例保存在享元池中。

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3.享元模式代码实例

很多网络设备都是支持共享的如交换机switch、集线器hub等。多台中断计算机可以连接同一台网络设备并通过网络设备进行数据转发。本节Jungle将使用享元模式来模拟共享网络设备的实例。

本例中交换机switch和集线器hub是具体享元对象。UML图如下所示
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3.1.抽象享元类

// 抽象享元类
class NetDevice
{
public:
	NetDevice(){}
	virtual ~NetDevice(){}
	virtual string getName() = 0;
 
	/*void print(){
		printf("NetDevice :%s\n",getName().c_str());
	}*/
	void print(int portNum){
		printf("NetDevice :%s  port: %d\n", getName().c_str(), portNum);
	}
};

3.2.具体享元类

具体享元类有集线器和交换机,实现了抽象享元类声明的方法。

// 具体享元类:集线器
class Hub :public NetDevice
{
public:
	Hub(){}
	string getName(){
		return "集线器";
	}
};
 
// 具体享元类:交换机
class Switch :public NetDevice
{
public:
	Switch(){}
	string getName(){
		return "交换机";
	}
};

3.3.享元工厂类

享元工厂类采用了单例模式保证工厂实例的唯一性。采用一个vector作为共享池。

// 享元工厂类
class NetDeviceFactory
{
public:
	NetDevice* getNetDevice(char ch){
		if (ch == 'S'){
			return devicePool[1];
		}
		else if (ch == 'H'){
			return devicePool[0];
		}
		else{
			printf("wrong input!\n");
		}
		return NULL;
	}
 
	// 单例模式:返回享元工厂类的唯一实例
	static NetDeviceFactory* getFactory(){
		if (instance == NULL){
			m_mutex.lock();
			if (instance == NULL){
				instance = new NetDeviceFactory();
			}
			m_mutex.unlock();
		}
		return instance;
	}
 
private:
	NetDeviceFactory(){
		Hub *hub = new Hub();
		Switch *switcher = new Switch();
		devicePool.push_back(hub);
		devicePool.push_back(switcher);
	}
	static NetDeviceFactory* instance;
	static std::mutex m_mutex;
 
	// 共享池用一个vector来表示
	vector<NetDevice*> devicePool;
};
 
NetDeviceFactory* NetDeviceFactory::instance = NULL;
std::mutex NetDeviceFactory::m_mutex;

3.4.客户端代码示例

#include <iostream>
#include "FlyweightPattern.h"
 
int main()
{
	NetDeviceFactory *factory = NetDeviceFactory::getFactory();
 
	NetDevice *device1, *device2, *device3, *device4;
 
	// 客户端1获取一个hub
	device1 = factory->getNetDevice('H');
	device1->print(1);
	// 客户端2获取一个hub
	device2 = factory->getNetDevice('H');
	device2->print(2);
	// 判断两个hub是否是同一个
	printf("判断两个hub是否是同一个:\n");
	printf("device1:%p\ndevice2:%p\n", device1, device2);
 
	printf("\n\n\n\n");
	// 客户端3获取一个switch
	device3 = factory->getNetDevice('S');
	device3->print(1);
	// 客户端4获取一个switch
	device4 = factory->getNetDevice('S');
	device4->print(2);
	// 判断两个switch是否是同一个
	printf("判断两个switch是否是同一个:\n");
	printf("device3:%p\ndevice4:%p\n", device3, device4);
 
	printf("\n\n");
 
	delete factory;
	delete device1;
	delete device2;
	delete device3;
	delete device4;
	factory = nullptr;
	device1 = nullptr;
	device2 = nullptr;
	device3 = nullptr;
	device4 = nullptr;
	
	system("pause");
	return 0;
}

客户端代码中两个客户端分别获取集线器Jungle打印出两个集线器的地址来判断是否是同一个对象。同理对交换机Jungle也进行类似的判断。

3.5.效果

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由测试结果可以看出,两个集线器对象的地址是相同的,说明它们都是同一个实例对象,两个交换机也都指向同一个交换机实例对象。由此说明本例的代码实现了网络设备的共享。

3.6.有外部状态的享元模式

进一步尽管不同的终端计算机可能会共享同一个集线器交换机但是每个计算机接入的端口port是不一样的端口就是每个享元对象的外部状态。 在享元模式的使用过程中,内部状态可以作为具体享元类的成员对象,而外部状态可以通过外部注入的方式添加到具体享元类中

“通过外部注入”,因此,客户端可以通过函数传参的方式将“端口”号注入具体享元类:

// 抽象享元类
class NetDevice
{
public:
	NetDevice(){}
	virtual string getName() = 0;
 
	/*void print(){
		printf("NetDevice :%s\n",getName().c_str());
	}*/ 
	void print(int portNum){
		printf("NetDevice :%s  port: %d\n", getName().c_str(), portNum);
	}
};

那么客户端的使用方式将变为:

#include <iostream>
#include "FlyweightPattern.h"
 
int main()
{
	NetDeviceFactory *factory = NetDeviceFactory::getFactory();
 
	NetDevice *device1, *device2, *device3, *device4;
 
	// 客户端2获取一个hub
	device1 = factory->getNetDevice('H');
	device1->print(1);
	// 客户端2获取一个hub
	device2 = factory->getNetDevice('H');
	device2->print(2);
	// 判断两个hub是否是同一个
	printf("判断两个hub是否是同一个:\n");
	printf("device1:%p\ndevice2:%p\n", device1, device2);
 
	printf("\n\n\n\n");
	// 客户端3获取一个switch
	device3 = factory->getNetDevice('S');
	device3->print(1);
	// 客户端4获取一个hub
	device4 = factory->getNetDevice('S');
	device4->print(2);
	// 判断两个hub是否是同一个
	printf("判断两个switch是否是同一个:\n");
	printf("device3:%p\ndevice4:%p\n", device3, device4);
 
	printf("\n\n");
 
	system("pause");
	return 0;
}

效果如下: avatar

4.总结

  • 优点:
    • 享元模式通过享元池存储已经创建好的享元对象,实现相同或相似的细粒度对象的复用,大大减少了系统中的对象数量,节约了内存空间,提升了系统性能;
    • 享元模式通过内部状态和外部状态的区分,外部状态相互独立,客户端可以根据需求任意使用。
  • 缺点:
    • 享元模式需要增加逻辑来取分出内部状态和外部状态,增加了编程的复杂度;
  • 适用环境:
    • 当一个系统中有大量重复使用的相同或相似对象时,使用享元模式可以节约系统资源;
    • 对象的大部分状态都可以外部化,可以将这些状态传入对象中。