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享元模式C++

news 2025/8/17 16:54:21

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，它通过共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用，从而减少内存消耗和对象创建开销。这种模式特别适合处理大量相似对象，这些对象中包含可共享的"内部状态"和不可共享的"外部状态"。

享元模式的核心角色

Flyweight（享元接口）：定义享元对象的接口，接受并作用于外部状态
ConcreteFlyweight（具体享元）：实现享元接口，存储内部状态
FlyweightFactory（享元工厂）：管理享元对象，负责创建和复用享元
Client（客户端）：维护享元对象的外部状态，通过工厂获取享元

C++实现示例

以下以"文字处理软件"为例实现享元模式，文档中的字符具有可共享的内部状态（字符值、字体等）和不可共享的外部状态（位置、颜色等）：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <memory>
#include <vector>// 享元接口：字符享元
class CharacterFlyweight {
public:virtual ~CharacterFlyweight() = default;// 绘制字符，接收外部状态virtual void draw(int x, int y, const std::string& color) const = 0;virtual char getSymbol() const = 0;
};// 具体享元：具体字符
class ConcreteCharacter : public CharacterFlyweight {
private:char symbol;       // 字符值（内部状态，可共享）std::string font;  // 字体（内部状态，可共享）int size;          // 字号（内部状态，可共享）public:ConcreteCharacter(char sym, std::string fnt, int sz): symbol(sym), font(std::move(fnt)), size(sz) {}// 绘制字符，结合外部状态（位置和颜色）void draw(int x, int y, const std::string& color) const override {std::cout << "绘制字符 '" << symbol << "' 在位置 (" << x << "," << y << ")，颜色: " << color << "，字体: " << font << "，字号: " << size << std::endl;}char getSymbol() const override {return symbol;}
};// 享元工厂：字符工厂
class CharacterFactory {
private:// 缓存享元对象，键为"字符-字体-字号"的组合std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<CharacterFlyweight>> flyweights;// 生成缓存键std::string getKey(char symbol, const std::string& font, int size) {return std::string(1, symbol) + "|" + font + "|" + std::to_string(size);}public:// 获取或创建享元对象std::shared_ptr<CharacterFlyweight> getCharacter(char symbol, const std::string& font, int size) {std::string key = getKey(symbol, font, size);// 如果不存在，则创建并缓存if (flyweights.find(key) == flyweights.end()) {flyweights[key] = std::make_shared<ConcreteCharacter>(symbol, font, size);std::cout << "创建新的享元对象: " << key << std::endl;} else {std::cout << "复用享元对象: " << key << std::endl;}return flyweights[key];}// 获取缓存的享元数量size_t getFlyweightCount() const {return flyweights.size();}
};// 字符上下文：包含外部状态
struct CharacterContext {std::shared_ptr<CharacterFlyweight> flyweight;int x;          // 位置X（外部状态）int y;          // 位置Y（外部状态）std::string color;  // 颜色（外部状态）void draw() const {flyweight->draw(x, y, color);}
};// 文档类：使用享元的客户端
class Document {
private:CharacterFactory factory;std::vector<CharacterContext> characters;public:void addCharacter(char symbol, const std::string& font, int size,int x, int y, const std::string& color) {// 从工厂获取享元auto flyweight = factory.getCharacter(symbol, font, size);// 存储外部状态和享元引用characters.push_back({flyweight, x, y, color});}void render() const {std::cout << "\n开始渲染文档..." << std::endl;for (const auto& ctx : characters) {ctx.draw();}std::cout << "文档渲染完成" << std::endl;}void showStats() const {std::cout << "\n文档统计: " << std::endl;std::cout << "总字符数: " << characters.size() << std::endl;std::cout << "享元对象数: " << factory.getFlyweightCount() << std::endl;}
};int main() {Document doc;// 添加文档内容（大量重复字符）doc.addCharacter('H', "Arial", 12, 10, 20, "black");doc.addCharacter('e', "Arial", 12, 20, 20, "black");doc.addCharacter('l', "Arial", 12, 30, 20, "black");doc.addCharacter('l', "Arial", 12, 40, 20, "black");doc.addCharacter('o', "Arial", 12, 50, 20, "black");doc.addCharacter('W', "Arial", 12, 10, 40, "blue");doc.addCharacter('o', "Arial", 12, 20, 40, "blue");doc.addCharacter('r', "Arial", 12, 30, 40, "blue");doc.addCharacter('l', "Arial", 12, 40, 40, "blue");doc.addCharacter('d', "Arial", 12, 50, 40, "blue");doc.addCharacter('!', "Times New Roman", 14, 60, 30, "red");// 显示统计信息doc.showStats();// 渲染文档doc.render();return 0;
}

代码解析

状态划分：
- 内部状态：字符值（symbol）、字体（font）、字号（size），这些属性相同的字符可以共享
- 外部状态：位置（x、y）、颜色（color），这些属性因字符位置不同而变化，不可共享
核心组件：
- ConcreteCharacter：具体享元类，存储内部状态，实现draw()方法时结合外部状态完成绘制
- CharacterFactory：享元工厂，通过键值（字符-字体-字号组合）缓存和复用享元对象
- CharacterContext：存储外部状态和对应的享元引用，将内部状态和外部状态结合使用
优化效果：文档中大量重复的字符（如示例中的多个’l’和’o’）只需要创建一个享元对象，显著减少了对象数量（示例中11个字符仅创建8个享元）。