享元模式(Flyweight Pattern)及其应用场景

享元模式是一种结构型设计模式,它通过共享对象来最小化内存使用或计算开销。该模式适合用于大量相似对象的情况,通过共享这些对象的公共部分来节省资源。

享元模式的特点

  1. 共享对象:通过共享相似对象来减少内存占用

  2. 分离内部状态和外部状态

    • 内部状态(Intrinsic):可以共享的、不变的部分

    • 外部状态(Extrinsic):不可共享的、变化的部分

  3. 工厂管理:通常使用工厂来管理和复用享元对象

典型应用场景

  1. 应用程序使用大量相似对象,导致内存开销过高

  2. 对象的大部分状态可以外部化

  3. 需要缓存或对象池的场景

  4. 图形编辑器中的字符、图形对象

  5. 游戏开发中的粒子系统、地形图块等

C++ 示例程序

示例1:文字处理器中的字符对象

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>

// 享元类:字符对象
class Character {
private:
    char symbol;
    int fontSize;
    std::string fontFamily;

public:
    Character(char s, int fs, const std::string& ff) 
        : symbol(s), fontSize(fs), fontFamily(ff) {}

    void print(int x, int y) {
        std::cout << "Character '" << symbol << "' with font " << fontFamily 
                  << " size " << fontSize << " at position (" << x << ", " << y << ")\n";
    }
};

// 享元工厂
class CharacterFactory {
private:
    std::unordered_map<char, Character*> characters;

public:
    Character* getCharacter(char key, int fontSize, const std::string& fontFamily) {
        if (characters.find(key) == characters.end()) {
            characters[key] = new Character(key, fontSize, fontFamily);
            std::cout << "Creating new character: " << key << "\n";
        }
        return characters[key];
    }

    ~CharacterFactory() {
        for (auto& pair : characters) {
            delete pair.second;
        }
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    CharacterFactory factory;

    // 外部状态:位置
    std::vector<std::pair<int, int>> positions = {{10, 20}, {30, 40}, {50, 60}};

    // 共享相同字符'A'的实例
    Character* a1 = factory.getCharacter('A', 12, "Arial");
    a1->print(positions[0].first, positions[0].second);

    Character* a2 = factory.getCharacter('A', 12, "Arial");
    a2->print(positions[1].first, positions[1].second);

    // 不同的字符'B'
    Character* b = factory.getCharacter('B', 12, "Arial");
    b->print(positions[2].first, positions[2].second);

    return 0;
}

示例2:游戏中的树木渲染

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <vector>

// 内部状态:树的类型(享元)
class TreeType {
private:
    std::string name;
    std::string color;
    std::string texture;

public:
    TreeType(const std::string& n, const std::string& c, const std::string& t)
        : name(n), color(c), texture(t) {}

    void draw(int x, int y) {
        std::cout << "Drawing " << name << " tree (color: " << color 
                  << ", texture: " << texture << ") at (" << x << ", " << y << ")\n";
    }
};

// 享元工厂
class TreeFactory {
private:
    static std::map<std::string, TreeType*> treeTypes;

public:
    static TreeType* getTreeType(const std::string& name, 
                                const std::string& color, 
                                const std::string& texture) {
        auto it = treeTypes.find(name);
        if (it == treeTypes.end()) {
            treeTypes[name] = new TreeType(name, color, texture);
            std::cout << "Creating new tree type: " << name << "\n";
        }
        return treeTypes[name];
    }

    static void cleanUp() {
        for (auto& pair : treeTypes) {
            delete pair.second;
        }
        treeTypes.clear();
    }
};

std::map<std::string, TreeType*> TreeFactory::treeTypes;

// 外部状态:树的位置
class Tree {
private:
    int x;
    int y;
    TreeType* type;

public:
    Tree(int x, int y, TreeType* t) : x(x), y(y), type(t) {}

    void draw() {
        type->draw(x, y);
    }
};

// 森林包含许多树
class Forest {
private:
    std::vector<Tree*> trees;

public:
    void plantTree(int x, int y, const std::string& name, 
                   const std::string& color, const std::string& texture) {
        TreeType* type = TreeFactory::getTreeType(name, color, texture);
        trees.push_back(new Tree(x, y, type));
    }

    void draw() {
        for (auto tree : trees) {
            tree->draw();
        }
    }

    ~Forest() {
        for (auto tree : trees) {
            delete tree;
        }
        TreeFactory::cleanUp();
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    Forest forest;

    // 种植1000棵橡树和1000棵松树,但只创建2个TreeType对象
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        forest.plantTree(rand() % 100, rand() % 100, "Oak", "Green", "OakTexture");
        forest.plantTree(rand() % 100, rand() % 100, "Pine", "Dark Green", "PineTexture");
    }

    // 绘制森林
    forest.draw();

    return 0;
}

示例3:围棋棋子共享

#include <iostream>
#include <map>
#include <vector>

// 享元类:棋子类型(内部状态)
class PieceType {
private:
    std::string color;
    std::string texture;

public:
    PieceType(const std::string& c, const std::string& t) : color(c), texture(t) {}

    void draw(int x, int y) {
        std::cout << "Drawing " << color << " piece at (" << x << ", " << y << ")\n";
    }
};

// 享元工厂
class PieceFactory {
private:
    static std::map<std::string, PieceType*> pieceTypes;

public:
    static PieceType* getPieceType(const std::string& color, const std::string& texture) {
        std::string key = color + texture;
        if (pieceTypes.find(key) == pieceTypes.end()) {
            pieceTypes[key] = new PieceType(color, texture);
            std::cout << "Creating new piece type: " << color << "\n";
        }
        return pieceTypes[key];
    }

    static void cleanUp() {
        for (auto& pair : pieceTypes) {
            delete pair.second;
        }
        pieceTypes.clear();
    }
};

std::map<std::string, PieceType*> PieceFactory::pieceTypes;

// 外部状态:棋子位置
class Piece {
private:
    int x;
    int y;
    PieceType* type;

public:
    Piece(int x, int y, PieceType* t) : x(x), y(y), type(t) {}

    void draw() {
        type->draw(x, y);
    }
};

// 棋盘
class Board {
private:
    std::vector<Piece*> pieces;

public:
    void placePiece(int x, int y, const std::string& color, const std::string& texture) {
        PieceType* type = PieceFactory::getPieceType(color, texture);
        pieces.push_back(new Piece(x, y, type));
    }

    void draw() {
        for (auto piece : pieces) {
            piece->draw();
        }
    }

    ~Board() {
        for (auto piece : pieces) {
            delete piece;
        }
        PieceFactory::cleanUp();
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    Board board;

    // 放置棋子,相同颜色的棋子共享同一个PieceType对象
    board.placePiece(0, 0, "Black", "Stone");
    board.placePiece(1, 0, "White", "Stone");
    board.placePiece(0, 1, "Black", "Stone");
    board.placePiece(1, 1, "White", "Stone");

    // 绘制棋盘
    board.draw();

    return 0;
}

总结

享元模式通过共享相似对象来有效减少内存使用,特别适用于以下情况:

  1. 应用程序需要创建大量相似对象

  2. 对象的大部分状态可以外部化

  3. 内存占用是一个关键考虑因素

实现享元模式的关键在于:

  • 分离内部状态(可共享)和外部状态(不可共享)

  • 使用工厂管理享元对象的创建和共享

  • 客户端负责维护和计算外部状态

在实际应用中,享元模式常与工厂模式、组合模式等结合使用,以达到更好的效果。

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