设计模式之 享元模式 C# 范例

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象来减少内存使用，尤其是在有大量相似对象的情况下。享元模式的关键思想是将对象的内部状态和外部状态分开，将共享部分（内部状态）存储在享元对象中，而将不共享部分（外部状态）保存在客户端或使用时传递给享元对象。

享元模式的核心：

• 共享享元对象：享元对象的内部状态是共享的，可以在多个上下文中复用。
• 外部状态：外部状态通常是不同的，可以在每次使用时提供，而不是存储在享元对象中。
• 享元工厂：享元工厂负责管理享元对象的创建和共享。如果已经存在相同的享元对象，工厂会直接返回该对象。

示例：图形对象管理系统

假设我们在绘制一个图形应用中，想要管理不同颜色和形状的图形对象。如果每个图形对象都独立存储颜色和形状的属性，内存消耗将会非常大，尤其是当图形数量很大时。我们可以使用享元模式来优化这个问题，通过共享相同的形状和颜色对象来减少内存的使用。

代码实现：

1. 定义享元对象接口

// 享元接口
public interface IShape
{
    void Draw(string color);  // 外部状态：颜色
}

2. 创建具体的享元对象

// 具体享元对象：圆形
public class Circle : IShape
{
    private readonly string _shape;  // 内部状态：形状，圆形不变

    public Circle()
    {
        _shape = "Circle";
    }

    public void Draw(string color)
    {
        Console.WriteLine($"Drawing a {_shape} with color {color}");
    }
}

// 具体享元对象：矩形
public class Rectangle : IShape
{
    private readonly string _shape;  // 内部状态：形状，矩形不变

    public Rectangle()
    {
        _shape = "Rectangle";
    }

    public void Draw(string color)
    {
        Console.WriteLine($"Drawing a {_shape} with color {color}");
    }
}

3. 享元工厂类

// 享元工厂类，用于管理享元对象
public class ShapeFactory
{
    private readonly Dictionary<string, IShape> _shapes = new Dictionary<string, IShape>();

    public IShape GetShape(string shapeType)
    {
        if (!_shapes.ContainsKey(shapeType))
        {
            IShape shape = shapeType switch
            {
                "Circle" => new Circle(),
                "Rectangle" => new Rectangle(),
                _ => throw new ArgumentException("Shape type not supported")
            };
            _shapes[shapeType] = shape;
        }

        return _shapes[shapeType];
    }
}

4. 客户端代码

csharp
class Program
{
    static void Main()
    {
        var shapeFactory = new ShapeFactory();

        // 获取并使用共享的享元对象
        IShape circle1 = shapeFactory.GetShape("Circle");
        circle1.Draw("Red");

        IShape rectangle1 = shapeFactory.GetShape("Rectangle");
        rectangle1.Draw("Blue");

        // 重复使用共享的享元对象
        IShape circle2 = shapeFactory.GetShape("Circle");
        circle2.Draw("Green");

        IShape rectangle2 = shapeFactory.GetShape("Rectangle");
        rectangle2.Draw("Yellow");

        // 可以看到 "Circle" 和 "Rectangle" 被共享
    }
}

输出结果：

Drawing a Circle with color Red
Drawing a Rectangle with color Blue
Drawing a Circle with color Green
Drawing a Rectangle with color Yellow

享元模式的优点：

1. 节省内存：通过共享相同的对象实例，享元模式可以显著减少对象的创建，从而节省内存。
2. 提高性能：对象共享能够减少内存消耗，特别是在系统中有大量相似对象的情况下。
3. 简化对象管理：享元工厂可以统一管理共享的对象，避免了大量重复创建对象的复杂性。

享元模式的缺点：

1. 增加复杂性：实现享元模式可能会增加代码的复杂性，因为需要维护享元工厂和享元对象的生命周期。
2. 共享的对象不可变：享元对象的内部状态必须是不可变的，否则会影响其他共享同一对象的客户端。
3. 外部状态的传递：享元对象只存储共享的内部状态，外部状态需要在调用时传递，因此可能增加了调用的复杂度。

适用场景：

• 内存管理：当系统中有大量的对象，并且它们的状态（属性）大多数是相同的，使用享元模式可以减少内存消耗。
• 对象共享：当多个客户端需要使用相同类型的对象时，享元模式可以帮助共享这些对象。
• 复杂系统的优化：在图形绘制、文字处理、数据缓存等场景中，享元模式能有效提高系统性能。

总结：

享元模式通过共享内存和减少对象创建次数来优化内存和性能，尤其适用于大量相似对象的场景。通过享元工厂来管理共享的享元对象，客户端可以通过传递外部状态来使用这些共享对象，从而达到节省内存和提高性能的目的。