什么是享元模式?
在GOF的《设计模式:可复用面向对象软件的基础》一书中对享元模式是这样说的:运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
就如上面说的棋子,如果每个棋子都new一个对象,就会存在大量细粒度的棋子对象,这对服务器的内存空间是一种考验,也是一种浪费。我们都知道,比如我在2013号房间和别人下五子棋,2014号房间也有人在下五子棋,并不会因为我在2013号房间,而别人在2014号房间,而导致我们的棋子是不一样的。这就是说,2013号房间和2014号房间的棋子都是一样的,所有的五子棋房间的棋子都是一样的。唯一的不同是每个棋子在不同的房间的不同棋盘的不同位置上。所以,对于棋子来说,我们不用放一个棋子就new一个棋子对象,只需要在需要的时候,去请求获得对应的棋子对象,如果没有,就new一个棋子对象;如果有了,就直接返回棋子对象。这里以五子棋为例子,进行分析,当玩家在棋盘上放入第一个白色棋子时,此时由于没有白色棋子,所以就new一个白色棋子;当另一个玩家放入第一个黑色棋子时,此时由于没有黑色棋子,所以就需要new一个黑色棋子;当玩家再次放入一个白色棋子时,就去查询是否有已经存在的白色棋子对象,由于第一次已经new了一个白色棋子对象,所以,现在不会再次new一个白色棋子对象,而是返回以前new的白色棋子对象;对于黑色棋子,亦是同理;获得了棋子对象,我们只需要设置棋子的不同棋盘位置即可。
UML类图
Flyweight:描述一个接口,通过这个接口flyweight可以接受并作用于外部状态;
ConcreteFlyweight:实现Flyweight接口,并为定义了一些内部状态,ConcreteFlyweight对象必须是可共享的;同时,它所存储的状态必须是内部的;即,它必须独立于ConcreteFlyweight对象的场景;
UnsharedConcreteFlyweight:并非所有的Flyweight子类都需要被共享。Flyweight接口使共享成为可能,但它并不强制共享。
FlyweightFactory:创建并管理flyweight对象。它需要确保合理地共享flyweight;当用户请求一个flyweight时,FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例,如果请求的实例不存在的情况下,就新创建一个实例;
Client:维持一个对flyweight的引用;同时,它需要计算或存储flyweight的外部状态。
实现要点
根据我们的经验,当要将一个对象进行共享时,就需要考虑到对象的状态问题了;不同的客户端获得共享的对象之后,可能会修改共享对象的某些状态;大家都修改了共享对象的状态,那么就会出现对象状态的紊乱。对于享元模式,在实现时一定要考虑到共享对象的状态问题。那么享元模式是如何实现的呢?
在享元模式中,有两个非常重要的概念:内部状态和外部状态。
内部状态存储于flyweight中,它包含了独立于flyweight场景的信息,这些信息使得flyweight可以被共享。而外部状态取决于flyweight场景,并根据场景而变化,因此不可共享。用户对象负责在必要的时候将外部状态传递给flyweight。
flyweight执行时所需的状态必定是内部的或外部的。内部状态存储于ConcreteFlyweight对象之中;而外部对象则由Client对象存储或计算。当用户调用flyweight对象的操作时,将该状态传递给它。同时,用户不应该直接对ConcreteFlyweight类进行实例化,而只能从FlyweightFactory对象得到ConcreteFlyweight对象,这可以保证对它们适当地进行共享;由于共享一个实例,所以在创建这个实例时,就可以考虑使用单例模式来进行实现。
享元模式的工厂类维护了一个实例列表,这个列表中保存了所有的共享实例;当用户从享元模式的工厂类请求共享对象时,首先查询这个实例表,如果不存在对应实例,则创建一个;如果存在,则直接返回对应的实例。
代码实现
1 #include <iostream> 2 #include <map> 3 #include <vector> 4 using namespace std; 5 6 typedef struct pointTag 7 { 8 int x; 9 int y; 10 11 pointTag(){} 12 pointTag(int a, int b) 13 { 14 x = a; 15 y = b; 16 } 17 18 bool operator <(const pointTag& other) const 19 { 20 if (x < other.x) 21 { 22 return true; 23 } 24 else if (x == other.x) 25 { 26 return y < other.y; 27 } 28 29 return false; 30 } 31 }POINT; 32 33 typedef enum PieceColorTag 34 { 35 BLACK, 36 WHITE 37 }PIECECOLOR; 38 39 class CPiece 40 { 41 public: 42 CPiece(PIECECOLOR color) : m_color(color){} 43 PIECECOLOR GetColor() { return m_color; } 44 45 // Set the external state 46 void SetPoint(POINT point) { m_point = point; } 47 POINT GetPoint() { return m_point; } 48 49 protected: 50 // Internal state 51 PIECECOLOR m_color; 52 53 // external state 54 POINT m_point; 55 }; 56 57 class CGomoku : public CPiece 58 { 59 public: 60 CGomoku(PIECECOLOR color) : CPiece(color){} 61 }; 62 63 class CPieceFactory 64 { 65 public: 66 CPiece *GetPiece(PIECECOLOR color) 67 { 68 CPiece *pPiece = NULL; 69 if (m_vecPiece.empty()) 70 { 71 pPiece = new CGomoku(color); 72 m_vecPiece.push_back(pPiece); 73 } 74 else 75 { 76 for (vector<CPiece *>::iterator it = m_vecPiece.begin(); it != m_vecPiece.end(); ++it) 77 { 78 if ((*it)->GetColor() == color) 79 { 80 pPiece = *it; 81 break; 82 } 83 } 84 if (pPiece == NULL) 85 { 86 pPiece = new CGomoku(color); 87 m_vecPiece.push_back(pPiece); 88 } 89 } 90 return pPiece; 91 } 92 93 ~CPieceFactory() 94 { 95 for (vector<CPiece *>::iterator it = m_vecPiece.begin(); it != m_vecPiece.end(); ++it) 96 { 97 if (*it != NULL) 98 { 99 delete *it; 100 *it = NULL; 101 } 102 } 103 } 104 105 private: 106 vector<CPiece *> m_vecPiece; 107 }; 108 109 class CChessboard 110 { 111 public: 112 void Draw(CPiece *piece) 113 { 114 if (piece->GetColor()) 115 { 116 cout<<"Draw a White"<<" at ("<<piece->GetPoint().x<<","<<piece->GetPoint().y<<")"<<endl; 117 } 118 else 119 { 120 cout<<"Draw a Black"<<" at ("<<piece->GetPoint().x<<","<<piece->GetPoint().y<<")"<<endl; 121 } 122 m_mapPieces.insert(pair<POINT, CPiece *>(piece->GetPoint(), piece)); 123 } 124 125 void ShowAllPieces() 126 { 127 for (map<POINT, CPiece *>::iterator it = m_mapPieces.begin(); it != m_mapPieces.end(); ++it) 128 { 129 if (it->second->GetColor()) 130 { 131 cout<<"("<<it->first.x<<","<<it->first.y<<") has a White chese."<<endl; 132 } 133 else 134 { 135 cout<<"("<<it->first.x<<","<<it->first.y<<") has a Black chese."<<endl; 136 } 137 } 138 } 139 140 private: 141 map<POINT, CPiece *> m_mapPieces; 142 }; 143 144 int main() 145 { 146 CPieceFactory *pPieceFactory = new CPieceFactory(); 147 CChessboard *pCheseboard = new CChessboard(); 148 149 // The player1 get a white piece from the pieces bowl 150 CPiece *pPiece = pPieceFactory->GetPiece(WHITE); 151 pPiece->SetPoint(POINT(2, 3)); 152 pCheseboard->Draw(pPiece); 153 154 // The player2 get a black piece from the pieces bowl 155 pPiece = pPieceFactory->GetPiece(BLACK); 156 pPiece->SetPoint(POINT(4, 5)); 157 pCheseboard->Draw(pPiece); 158 159 // The player1 get a white piece from the pieces bowl 160 pPiece = pPieceFactory->GetPiece(WHITE); 161 pPiece->SetPoint(POINT(2, 4)); 162 pCheseboard->Draw(pPiece); 163 164 // The player2 get a black piece from the pieces bowl 165 pPiece = pPieceFactory->GetPiece(BLACK); 166 pPiece->SetPoint(POINT(3, 5)); 167 pCheseboard->Draw(pPiece); 168 169 /*......*/ 170 171 //Show all cheses 172 cout<<"Show all cheses"<<endl; 173 pCheseboard->ShowAllPieces(); 174 175 if (pCheseboard != NULL) 176 { 177 delete pCheseboard; 178 pCheseboard = NULL; 179 } 180 if (pPieceFactory != NULL) 181 { 182 delete pPieceFactory; 183 pPieceFactory = NULL; 184 } 185 }
内部状态包括棋子的颜色,外部状态包括棋子在棋盘上的位置。最终,我们省去了多个实例对象存储棋子颜色的空间,从而达到了空间的节约。
在上面的代码中,我建立了一个CCheseboard用于表示棋盘,棋盘类中保存了放置的黑色棋子和白色棋子;这就相当于在外部保存了共享对象的外部状态;对于棋盘对象,我们是不是又可以使用享元模式呢?再设计一个棋局类进行管理棋盘上的棋子布局,用来保存外部状态。对于这个,这里不进行讨论了。
优点
享元模式可以避免大量非常相似对象的开销。在程序设计时,有时需要生成大量细粒度的类实例来表示数据。如果能发现这些实例数据除了几个参数外基本都是相同的,使用享元模式就可以大幅度地减少对象的数量。
使用场合
Flyweight模式的有效性很大程度上取决于如何使用它以及在何处使用它。当以下条件满足时,我们就可以使用享元模式了。
- 一个应用程序使用了大量的对象;
- 完全由于使用大量的对象,造成很大的存储开销;
- 对象的大多数状态都可变为外部状态;
- 如果删除对象的外部状态,那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象。
扩展
之前总结了组合模式组合模式,现在回过头来看看,享元模式就好比在组合模式的基础上加上了一个工厂类,进行共享控制。是的,组合模式有的时候会产生很多细粒度的对象,很多时候,我们会将享元模式和组合模式进行结合使用。
总结
使用享元模式可以避免大量相似对象的开销,减小了空间消耗;而空间的消耗是由以下几个因素决定的:
- 实例对象减少的数目;
- 对象内部状态的数目;对象内部状态越多,消耗的空间也会越少;
- 外部状态是计算的还是存储的;由于外部状态可能需要存储,如果外部状态存储起来,那么空间的节省就不会太多。
共享的Flyweight越多,存储节约也就越多,节约量随着共享状态的增多而增大。当对象使用大量的内部及外部状态,并且外部状态是计算出来的而非存储的时候,节约量将达到最大。所以,可以使用两种方法来节约存储:用共享减少内部状态的消耗;用计算时间换取对外部状态的存储。
同时,在实现的时候,一定要控制好外部状态与共享对象的对应关系,比如我在代码实现部分,在CCheseboard类中使用了一个map进行彼此之间的映射,这个映射在实际开发中需要考虑的。