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设计模式每日硬核训练 Day 15：享元模式（Flyweight Pattern）完整讲解与实战应用

news 2025/4/26 22:48:20

🔄 回顾 Day 14：组合模式小结

在 Day 14 中，我们学习了组合模式（Composite Pattern）：

适用于构建树状层级结构，使得“单个对象”和“对象集合”统一操作。
广泛用于文件系统、UI 控件树、组织结构等。

而今天的主角“享元模式”，是极致优化资源的代表。

享元模式（Flyweight Pattern）用于共享对象，减少内存占用，提升系统性能。

一、享元模式的核心动机

在系统中，如果存在大量“内容相同或相似”的对象，重复创建将造成资源浪费。

✅ 比如：

文本编辑器中成千上万个字符对象
游戏中上千棵树、子弹、砖块、粒子
地图系统中多个城市的图标

如果这些对象的“大部分状态相同”，我们就可以将它们共享起来，避免重复创建。

二、结构图（UML）

+----------------+      +--------------------+
|  Flyweight     |<-----|  ConcreteFlyweight |
+----------------+      +--------------------+
| +operation()   |      | - intrinsicState   |
+----------------+      | +operation()       |+--------------------++----------------+         +-----------------------+
| FlyweightFactory |------>| Flyweight Pool        |
+----------------+         +-----------------------+
| +getFlyweight() |

三、术语说明：

概念	含义描述
Intrinsic State	内部状态（可共享、不变）
Extrinsic State	外部状态（不共享，由客户端提供）
Flyweight	享元接口，定义共享对象应有操作
ConcreteFlyweight	实现享元的具体对象
FlyweightFactory	管理共享对象池（享元工厂）

四、C++ 实现：字符渲染引擎

我们模拟一个文本渲染系统，文字中的每个字符都是一个对象，但字符本身可共享，坐标位置不可共享。

✅ Flyweight 接口

class Glyph {
public:virtual void render(int x, int y) = 0; // Extrinsicvirtual ~Glyph() = default;
};

✅ 共享对象：ConcreteFlyweight

class CharacterGlyph : public Glyph {char symbol_; // Intrinsic State
public:CharacterGlyph(char ch) : symbol_(ch) {}void render(int x, int y) override {std::cout << "绘制字符 '" << symbol_ << "' at (" << x << "," << y << ")\n";}
};

✅ 享元工厂

class GlyphFactory {std::unordered_map<char, std::shared_ptr<Glyph>> pool_;public:std::shared_ptr<Glyph> getGlyph(char ch) {if (!pool_.count(ch)) {pool_[ch] = std::make_shared<CharacterGlyph>(ch);}return pool_[ch];}
};

✅ 使用示例

int main() {GlyphFactory factory;std::string text = "AABAC";int x = 0;for (char ch : text) {auto glyph = factory.getGlyph(ch); // 共享对象glyph->render(x, 0);               // 外部状态：坐标x += 10;}return 0;
}

输出：

绘制字符 'A' at (0,0)
绘制字符 'A' at (10,0)
绘制字符 'B' at (20,0)
绘制字符 'A' at (30,0)
绘制字符 'C' at (40,0)

五、实战应用场景

场景	享元内容说明
文本编辑器	字符对象：字体、颜色共享，位置不共享
游戏地图渲染	大量树木、草丛、砖块共享对象，坐标单独记录
数据可视化系统	图标、图例、样式重复，减少渲染对象数量
图标资源池	图标素材在多个地方复用，统一缓存
数据库连接池	多个线程共用固定连接对象，提升资源复用率

六、优缺点分析

✅ 优点：

极大节省内存资源（大量对象时提升明显）
避免重复对象创建，提升性能
中央控制共享对象更可控

❗ 缺点：

管理复杂，需划分共享状态/外部状态
外部状态维护变复杂，需由使用者负责传入

七、与单例/对象池/享元的区别

模式	共享粒度	对象数量控制	核心目的
单例	全局单一	只能有 1 个	全局唯一对象
对象池	共享对象集合	固定数量（动态管理）	控制创建/复用的生命周期
享元	每类一个共享对象	可复用对象很多	减少对象创建，提高复用率