C++ 享元模式

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

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

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：

  
#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;  
}

输出示例

  
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  
...  

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

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 $N$ 个对象，享元模式将内存占用从 $O(N)$ 降低至 $O(K)$（$K$ 为唯一内在状态的数量，通常 $K\ll N$）。

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std::weak_ptr）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。