享元模式是一種結構型設計模式，它通過共享對象來最小化內存使用或計算開銷。這種模式適用于大量相似對象的情況，通過共享這些對象的公共部分來減少資源消耗。

基本概念

享元模式的核心思想是將對象的內在狀態（不變的部分）和外在狀態（變化的部分）分離：

• 內在狀態（Intrinsic State）：存儲在享元內部，可以被多個對象共享，獨立于具體場景

• 外在狀態（Extrinsic State）：取決于具體場景，通常由客戶端保存或計算

實現示例

下面是一個簡單的享元模式實現示例，模擬文本編輯器中的字符處理：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>// 享元類 - 表示字符及其內在狀態（字體、大小等）
class Character {
public:Character(char symbol, const std::string& font, int size): symbol_(symbol), font_(font), size_(size) {}void display(int position) const {std::cout << "Character: " << symbol_ << ", Font: " << font_<< ", Size: " << size_<< ", Position: " << position << std::endl;}private:char symbol_;std::string font_;int size_;
};// 享元工廠 - 創建和管理享元對象
class CharacterFactory {
public:Character* getCharacter(char key, const std::string& font, int size) {// 使用組合鍵來唯一標識享元對象std::string compositeKey = std::string(1, key) + "_" + font + "_" + std::to_string(size);if (characters_.find(compositeKey) == characters_.end()) {characters_[compositeKey] = new Character(key, font, size);}return characters_[compositeKey];}~CharacterFactory() {for (auto& pair : characters_) {delete pair.second;}}private:std::unordered_map<std::string, Character*> characters_;
};// 客戶端代碼
int main() {CharacterFactory factory;// 文檔中的字符及其位置std::string text = "Hello, World!";for (size_t i = 0; i < text.size(); ++i) {char c = text[i];// 假設所有字符使用相同的字體和大小Character* character = factory.getCharacter(c, "Arial", 12);character->display(i); // 位置是外在狀態，由客戶端提供}return 0;
}

UML結構?

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享元模式的組成

1. Flyweight（享元接口）：定義享元對象的接口

2. ConcreteFlyweight（具體享元）：實現享元接口，存儲內在狀態

3. UnsharedConcreteFlyweight（非共享具體享元）：不需要共享的享元實現

4. FlyweightFactory（享元工廠）：創建和管理享元對象，確保合理共享

5. Client（客戶端）：維護對享元的引用，計算或存儲外在狀態

適用場景

• 一個應用程序使用了大量相似對象

• 由于大量對象造成很大的存儲開銷

• 對象的大多數狀態可以變為外部狀態

• 移除了外部狀態后，可以用較少的共享對象替代大量對象

優點

• 減少內存使用，因為共享了相似對象

• 減少了對象的創建數量，提高了性能

• 將狀態外部化，使得對象更輕量

缺點

• 增加了系統復雜性，需要分離內在和外在狀態

• 可能需要線程安全考慮，因為享元對象是共享的

• 外在狀態需要由客戶端維護和管理

實際應用

• 文本編輯器中的字符處理

• 游戲開發中的粒子系統

• 圖形編輯器中的圖形對象

• 數據庫連接池

• 任何需要大量細粒度對象的場景

在C++標準庫中，std::string的寫時復制（COW）實現某種程度上也使用了享元模式的思想。