编辑“︁C++ 享元模式”︁

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== 概述 ==  
'''享元模式'''（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象减少内存使用，特别适用于存在大量相似对象的场景。其核心思想是将对象的'''内在状态'''（可共享部分）与'''外在状态'''（不可共享部分）分离，通过共享内在状态来优化资源消耗。  

=== 核心概念 ===  
* '''内在状态（Intrinsic State）'''：对象的固定部分，可被多个上下文共享（例如字符的字体、颜色）。  
* '''外在状态（Extrinsic State）'''：对象的可变部分，由客户端代码传递（例如字符在文本中的位置）。  

== 适用场景 ==  
* 系统中存在大量相似对象，且内存占用过高。  
* 对象的大部分状态可以外部化。  
* 需要缓存或共享对象状态（如游戏中的粒子系统、文本编辑器中的字符渲染）。  

== 结构 ==  
<mermaid>  
classDiagram  
    class Flyweight {  
        <<interface>>  
        +operation(extrinsicState)  
    }  
    class ConcreteFlyweight {  
        -intrinsicState  
        +operation(extrinsicState)  
    }  
    class FlyweightFactory {  
        -flyweights: Map  
        +getFlyweight(key)  
    }  
    class Client {  
        -flyweights: Flyweight[]  
    }  
    Flyweight <|-- ConcreteFlyweight  
    FlyweightFactory o-- Flyweight  
    Client --> FlyweightFactory  
    Client --> Flyweight  
</mermaid>  

== 代码示例 ==  
以下示例展示如何用享元模式优化文本编辑器中的字符渲染：  

<syntaxhighlight lang="cpp">  
#include <iostream>  
#include <unordered_map>  
#include <string>  

// 享元接口  
class Character {  
public:  
    virtual void display(int position) = 0;  
    virtual ~Character() = default;  
};  

// 具体享元类  
class ConcreteCharacter : public Character {  
private:  
    char symbol_;  // 内在状态（可共享）  
public:  
    explicit ConcreteCharacter(char symbol) : symbol_(symbol) {}  

    void display(int position) override {  // 外在状态由参数传递  
        std::cout << "Character '" << symbol_ << "' at position " << position << std::endl;  
    }  
};  

// 享元工厂  
class CharacterFactory {  
private:  
    std::unordered_map<char, Character*> characters_;  

public:  
    Character* getCharacter(char key) {  
        if (characters_.find(key) == characters_.end()) {  
            characters_[key] = new ConcreteCharacter(key);  
        }  
        return characters_[key];  
    }  

    ~CharacterFactory() {  
        for (auto& pair : characters_) {  
            delete pair.second;  
        }  
    }  
};  

// 客户端代码  
int main() {  
    CharacterFactory factory;  

    // 模拟文本中的字符  
    std::string text = "Hello, Flyweight!";  
    for (int i = 0; i < text.size(); ++i) {  
        Character* character = factory.getCharacter(text[i]);  
        character->display(i);  // 位置是外在状态  
    }  

    return 0;  
}  
</syntaxhighlight>  

=== 输出示例 ===  
<pre>  
Character 'H' at position 0  
Character 'e' at position 1  
Character 'l' at position 2  
Character 'l' at position 3  
Character 'o' at position 4  
...  
</pre>  

=== 代码解析 ===  
1. '''ConcreteCharacter''' 存储内在状态（如字符符号），而外在状态（如位置）通过参数传递。  
2. '''CharacterFactory''' 确保相同字符仅创建一个实例。  
3. 客户端通过工厂获取享元对象，避免重复创建。  

== 实际应用案例 ==  
=== 游戏开发中的粒子系统 ===  
在游戏中，大量粒子（如子弹、火焰）可能共享相同的纹理和动画，但位置和速度不同。享元模式可将纹理作为内在状态共享，而位置作为外在状态动态传递。  

=== 文档编辑器中的格式设置 ===  
文本中的相同字体（如“Arial 12pt”）可被多个字符共享，仅存储一次而非每个字符单独保存。  

== 优缺点 ==  
{| class="wikitable"  
|+ 享元模式分析  
! 优点 !! 缺点  
|-  
| 减少内存占用 || 增加代码复杂度  
|-  
| 提高性能（减少对象创建） || 需要妥善管理共享状态  
|-  
| 适用于大规模对象复用 || 可能引入线程安全问题  
|}  

== 数学建模 ==  
假设系统中有 <math>N</math> 个对象，享元模式将内存占用从 <math>O(N)</math> 降低至 <math>O(K)</math>（<math>K</math> 为唯一内在状态的数量，通常 <math>K \ll N</math>）。  

== 扩展思考 ==  
* 结合'''工厂模式'''管理享元对象的生命周期。  
* 使用'''弱引用'''（如C++的<code>std::weak_ptr</code>）避免内存泄漏。  
* 在多线程环境中，需对享元工厂加锁以保证线程安全。  

{{设计模式提示|  
| 建议 = 在需要高频创建相似对象时优先考虑享元模式。  
| 警告 = 过度使用可能导致系统难以维护，需权衡共享与独特性。  
}}

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