设计模式的征途—12.享元（Flyweight）模式

现在在大力推行节约型社会，“浪费可耻，节俭光荣”。在软件系统中，有时候也会存在资源浪费的情况，例如，在计算机内存中存储了多个完全相同或者非常相似的对象，如果这些对象的数量太多将导致系统运行代价过高。那么，是否存在一种技术可以用于节约内存使用空间，实现对这些相同或者相似对象的共享访问呢？答案是肯定的，这种技术就是享元模式。

享元模式（Flyweight）

学习难度：★★★★☆

使用频率：★☆☆☆☆

一、围棋棋子的设计

M公司开发部欲开发一个围棋软件，其界面效果如下图所示：

　　M公司开发人员通过对围棋软件进行分析，发现在围棋棋盘中包含大量的黑子和白子，它们的形状、大小都一模一样，只是出现的位置不同而已。如果将每一个棋子都作为一个独立的对象存储在内存中，将可能导致该围棋软件在运行时所需要的内存空间较大。

　　如何降低运行代价、提高系统性能是M公司开发人员需要解决的一个问题。为此，M公司开发人员决定使用享元模式来设计该软件。

二、享元模式概述

2.1 享元模式简介

享元（Flyweight）模式：运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象，而这些对象都很相似，状态变化很小，可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象，因此它又称为轻量级模式，是一种结构型模式。

2.2 享元模式结构

　　享元模式的结构较为复杂，一般结合工厂模式一起使用，在其结构图中包含了一个享元工厂类，如下图所示：

　　由上图可以看出，它包含了以下4个角色：

　　（1）Flyweight（抽象享元类）：一个接口或抽象类，声明了具体享元类的公共方法。

　　（2）ConcreteFlyweight（具体享元类）：实现了抽象享元类，其实例称为享元对象。

　　（3）UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元类）：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可设计为费共享具体享元类。

　　（4）FlyweightFactory（享元工厂类）：用于创建并管理享元对象，一般设计为一个存储“Key-Value”键值对的集合（可以结合工厂模式设计）。其作用就在于：提供一个用于存储享元对象的享元池，当用户需要对象时，首先从享元池中获取，如果享元池中不存在，那么则创建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。=> 想想.NET中的各种资源池的设计？

三、重构后的围棋棋子方案

3.1 重构后的设计

　　M公司开发人员采用了享元模式进行设计，如下图所示：

　　其中，IgoChessman充当抽象享元类，BlackIgoChessman和WhiteIgoChessman充当具体享元类，IgoChessmanFactory充当享元工厂类。

3.2 具体代码实现

　　（1）抽象享元类：IgoChessman

    public abstract class IgoChessman
    {
        public abstract string GetColor();

        public void Display(Coordinates coord)
        {
            Console.WriteLine("棋子颜色：{0}，棋子位置：{1}", GetColor(), coord.X + "," + coord.Y);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 外部状态：棋子坐标
    /// </summary>
    public class Coordinates
    {
        public int X { get; set; }
        public int Y { get; set; }

        public Coordinates()
        {

        }

        public Coordinates(int x, int y)
        {
            this.X = x;
            this.Y = y;
        }
    }

　　（2）具体享元类：BlackIgoChessman、WhiteIgoChessman

    // 具体享元类A
    public class BlackIgoChessman : IgoChessman
    {
        public override string GetColor()
        {
            return "黑色";
        }
    }

    // 具体享元类B
    public class WhiteIgoChessman : IgoChessman
    {
        public override string GetColor()
        {
            return "白色";
        }
    }

　　（3）享元工厂类：IgoChessmanFactory

    /// <summary>
    /// 享元工厂类
    /// </summary>
    public class IgoChessmanFactory
    {
        private static readonly IgoChessmanFactory instance = new IgoChessmanFactory(); // 使用单例模式实现享元
        private static Hashtable ht;    // 使用Hashtable来存储享元对象，充当享元池

        private IgoChessmanFactory()
        {
            ht = new Hashtable();
            IgoChessman blackChess = new BlackIgoChessman();
            ht.Add("b", blackChess);
            IgoChessman whiteChess = new WhiteIgoChessman();
            ht.Add("w", whiteChess);
        }

        public static IgoChessmanFactory GetInstance()
        {
            return instance;
        }

        public IgoChessman GetIgoChessman(string color)
        {
            IgoChessman chess = ht[color] as IgoChessman;
            return chess;
        }
    }

　　（4）客户端调用

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            // 获取享元工厂
            IgoChessmanFactory chessFactory = IgoChessmanFactory.GetInstance();
            // 通过享元工厂获取3颗黑子
            IgoChessman blackChess1 = chessFactory.GetIgoChessman("b");
            IgoChessman blackChess2 = chessFactory.GetIgoChessman("b");
            IgoChessman blackChess3 = chessFactory.GetIgoChessman("b");

            Console.WriteLine("判断两颗黑子是否相同：{0}", object.ReferenceEquals(blackChess1, blackChess2));
            // 通过享元工厂获取2颗白子
            IgoChessman whiteChess1 = chessFactory.GetIgoChessman("w");
            IgoChessman whiteChess2 = chessFactory.GetIgoChessman("w");

            Console.WriteLine("判断两颗白子是否相同：{0}", object.ReferenceEquals(whiteChess1, whiteChess2));
            // 显示棋子
            blackChess1.Display(new Coordinates(1,2));
            blackChess2.Display(new Coordinates(3, 4));
            blackChess3.Display(new Coordinates(1, 3));
            whiteChess1.Display(new Coordinates(2, 5));
            whiteChess2.Display(new Coordinates(2, 4));

            Console.ReadKey();
        }
    }

　　运行结果如下图所示：

　　

　　从运行结果可以看出，在每次调用Display()方法时，都设置了不同的外部状态-坐标值，因此相同的棋子虽然具有相同的颜色，但是它们的坐标值不同，将显示在棋盘的不同位置。

四、享元模式总结

4.1 主要优点

　　可以极大减少内存中对象的数量，使得相同或相似对象在内存中只有一份 => 节省系统资源，提高系统性能！棒棒哒！

4.2 主要缺点

　　为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的部分状态外部化，而读取外部状态将使得运行时间变长！

4.3 应用场景

　　（1）一个系统有大量相同或相似的对象，造成了系统内存的大量损耗 => 赶紧使用享元模式吧！

　　（2）对象的大部分状态都可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中。

　　（3）要维护享元模式，需要耗费一定的系统资源，因为在需要时会多次重复使用才值得使用享元模式了！

参考资料

　　

　　刘伟，《设计模式的艺术—软件开发人员内功修炼之道》

作者：周旭龙

出处：http://edisonchou.cnblogs.com

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