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享元模式（Flyweight Pattern）详解

一、核心概念

1. 定义

享元模式是一种结构型设计模式，通过共享对象来有效支持大量细粒度对象的复用，从而减少内存占用和提高性能。其核心在于区分：

• 内部状态（Intrinsic）：可共享的固定属性（如字符编码、颜色配置）
• 外部状态（Extrinsic）：不可共享的运行时上下文（如坐标位置、字体大小）

2. 解决的问题

• 内存资源浪费：大量相似对象导致内存占用过高
• 对象创建开销：高频创建销毁对象影响性能
• 状态分离管理：需要区分对象固定属性与可变属性

3. 核心角色

1. Flyweight（抽象享元）
   定义对象接口，声明接收外部状态的方法（如Draw(x,y)）

2. ConcreteFlyweight（具体享元）
   实现抽象接口，存储内部状态（如字符编码）

3. FlyweightFactory（享元工厂）
   创建并管理享元对象池，确保对象复用

4. Client（客户端）
   维护外部状态并传递给享元对象

4. 类图

@startuml
class FlyweightFactory {- pool: map[string]Flyweight+ GetFlyweight(key): Flyweight
}interface Flyweight {+ Operation(extrinsicState)
}class ConcreteFlyweight {- intrinsicState: string+ Operation(extrinsicState)
}FlyweightFactory o--> Flyweight : manages
Flyweight <|.. ConcreteFlyweight
@enduml

二、特点分析

优点

1. 内存优化：减少重复对象的存储开销
2. 性能提升：降低对象创建/销毁频率
3. 状态解耦：清晰分离内部/外部状态

缺点

1. 复杂度增加：需要严格区分内外状态
2. 线程安全问题：共享对象需考虑并发访问
3. 过度优化风险：不适合对象差异大的场景

三、适用场景

1. 文字编辑器

• 内部状态：字符编码、字体样式
• 外部状态：坐标位置、颜色
• 效果：10万个’A’字符只需1个享元对象

2. 游戏开发

• 内部状态：子弹贴图、伤害值
• 外部状态：发射位置、移动轨迹
• 效果：百万子弹共享10种类型配置

3. 数据库连接池

• 内部状态：连接配置参数
• 外部状态：当前事务状态
• 效果：复用连接避免重复创建

四、代码示例（Go语言）

场景：游戏子弹系统

@startumlclass BulletType {- name: string- color: string- texture: []byte+ String(): string
}class BulletFactory {- pool: map[string]*BulletType- mu: sync.Mutex+ GetBulletType(name: string, color: string): *BulletType
}class Bullet {- typeInfo: *BulletType- x: float64- y: float64- speed: float64+ String(): string
}BulletFactory "1" o-- "many" BulletType : contains > pool
Bullet --> BulletType : typeInfo >note left of BulletFactory<<Singleton>>Use GetBulletFactory() methodto get the single instance
end note@enduml

package flyweight_demoimport ("fmt""sync"
)// BulletType 享元对象 子弹类型（内部状态）
type BulletType struct {name    stringcolor   stringtexture []byte
}func (bt *BulletType) String() string {return fmt.Sprintf("%s-%s", bt.name, bt.color)
}// 享元工厂
type BulletFactory struct {pool map[string]*BulletTypemu   sync.Mutex
}var instance *BulletFactory
var once sync.Oncefunc GetBulletFactory() *BulletFactory {once.Do(func() {instance = &BulletFactory{pool: make(map[string]*BulletType),}})return instance
}func (bf *BulletFactory) GetBulletType(name, color string) *BulletType {key := name + "-" + colorbf.mu.Lock()defer bf.mu.Unlock()if bt, ok := bf.pool[key]; ok {return bt}newBt := &BulletType{name:    name,color:   color,texture: make([]byte, 1024*1024),}bf.pool[key] = newBtreturn newBt
}// 具体子弹对象（包含外部状态）
type Bullet struct {typeInfo *BulletTypex, y     float64speed    float64
}func newBullet(name, color string, x, y, speed float64) *Bullet {factory := GetBulletFactory()return &Bullet{typeInfo: factory.GetBulletType(name, color),x:        x,y:        y,speed:    speed,}
}func (b *Bullet) String() string {return fmt.Sprintf("%s @(%.1f,%.1f) speed=%.1f",b.typeInfo, b.x, b.y, b.speed)
}func test() {bullets := make([]*Bullet, 0)// 创建10000发子弹，实际只生成2种BulletTypefor i := 0; i < 5000; i++ {bullets = append(bullets,newBullet("AK47", "gold", float64(i), 0, 10),newBullet("M4A1", "silver", float64(i), 10, 12),)}// 验证对象复用fmt.Printf("Total bullet types created: %d\n",len(GetBulletFactory().pool)) // 输出2fmt.Println(bullets[0].String()) // AK47-gold @(0.0,0.0) speed=10.0fmt.Println(bullets[1].String()) // M4A1-silver @(0.0,10.0) speed=12.0
}

=== RUN   Test_test
Total bullet types created: 2
AK47-gold @(0.0,0.0) speed=10.0
M4A1-silver @(0.0,10.0) speed=12.0
--- PASS: Test_test (0.00s)
PASS

五、高级应用

1. 组合享元模式

type WeaponSkin struct {baseType *BulletTypesticker  string // 扩展装饰属性
}func (ws *WeaponSkin) GetKey() string {return ws.baseType.name + "_" + ws.baseType.color + "_" + ws.sticker
}

2. 线程安全优化

// 使用RWMutex提升并发性能
func (bf *BulletFactory) GetBulletTypeSafe(name, color string) *BulletType {key := name + "_" + color// 先尝试读锁bf.mu.RLock()if bt, exists := bf.pool[key]; exists {bf.mu.RUnlock()return bt}bf.mu.RUnlock()// 获取写锁bf.mu.Lock()defer bf.mu.Unlock()// 双检锁防止重复创建if bt, exists := bf.pool[key]; exists {return bt}newBt := createNewBulletType(name, color)bf.pool[key] = newBtreturn newBt
}

六、与其他模式对比

模式	核心目标	关键区别
单例模式	控制实例数量	享元管理多个共享对象
对象池模式	复用昂贵对象	享元侧重状态分离
装饰器模式	动态扩展功能	享元侧重对象复用

七、总结

享元模式通过共享细粒度对象，有效解决了：

1. 内存占用问题：减少重复对象的存储
2. 性能优化问题：降低对象创建开销
3. 状态管理问题：明确区分内外状态

在Go语言中实现时需注意：

• 使用sync.Map或mutex保证线程安全
• 严格分离内部/外部状态
• 合理设计对象键值（如颜色+名称组合键）

实际应用场景建议：

• 游戏开发中的粒子系统
• GUI系统的控件复用
• 金融交易中的报价对象池