C++设计模式之享元模式

前言

无聊的时候，也去QQ游戏大厅玩五子棋或者象棋；作为程序员，看到一个产品，总要去想想它是怎么设计的，怎么完成的，我想这个是所有程序员都会做的事情吧（强迫症？？？）。有的时候，想完了，还要做一个DEMO出来，才能体现自己的NB，然后还有点小成就感。

在玩五子棋或象棋的时候，我就想过，腾讯那帮伙计是怎么做的呢？五子棋的棋子有黑白两色，难道每次放一个棋子就new一个对象么？象棋有车、马、相、士、帅、炮和兵，是不是每盘棋都要把所有的棋子都new出来呢？如果真的是每一个棋子都new一个，那么再加上那么多人玩；那要new多少对象啊，如果是这样做的话，我想有多少服务器都是搞不定的，可能QQ游戏大厅会比12306还糟糕。那腾讯那帮伙计是如何实现的呢？那就要说到今天总结的享元模式了。

什么是享元模式？

在GOF的《设计模式:可复用面向对象软件的基础》一书中对享元模式是这样说的：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

就如上面说的棋子，如果每个棋子都new一个对象，就会存在大量细粒度的棋子对象，这对服务器的内存空间是一种考验，也是一种浪费。我们都知道，比如我在2013号房间和别人下五子棋，2014号房间也有人在下五子棋，并不会因为我在2013号房间，而别人在2014号房间，而导致我们的棋子是不一样的。这就是说，2013号房间和2014号房间的棋子都是一样的，所有的五子棋房间的棋子都是一样的。唯一的不同是每个棋子在不同的房间的不同棋盘的不同位置上。所以，对于棋子来说，我们不用放一个棋子就new一个棋子对象，只需要在需要的时候，去请求获得对应的棋子对象，如果没有，就new一个棋子对象；如果有了，就直接返回棋子对象。这里以五子棋为例子，进行分析，当玩家在棋盘上放入第一个白色棋子时，此时由于没有白色棋子，所以就new一个白色棋子；当另一个玩家放入第一个黑色棋子时，此时由于没有黑色棋子，所以就需要new一个黑色棋子；当玩家再次放入一个白色棋子时，就去查询是否有已经存在的白色棋子对象，由于第一次已经new了一个白色棋子对象，所以，现在不会再次new一个白色棋子对象，而是返回以前new的白色棋子对象；对于黑色棋子，亦是同理；获得了棋子对象，我们只需要设置棋子的不同棋盘位置即可。

UML类图

Flyweight：描述一个接口，通过这个接口flyweight可以接受并作用于外部状态；

ConcreteFlyweight：实现Flyweight接口，并为定义了一些内部状态，ConcreteFlyweight对象必须是可共享的；同时，它所存储的状态必须是内部的；即，它必须独立于ConcreteFlyweight对象的场景；

UnsharedConcreteFlyweight：并非所有的Flyweight子类都需要被共享。Flyweight接口使共享成为可能，但它并不强制共享。

FlyweightFactory：创建并管理flyweight对象。它需要确保合理地共享flyweight；当用户请求一个flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例，如果请求的实例不存在的情况下，就新创建一个实例；

Client：维持一个对flyweight的引用；同时，它需要计算或存储flyweight的外部状态。

实现要点

根据我们的经验，当要将一个对象进行共享时，就需要考虑到对象的状态问题了；不同的客户端获得共享的对象之后，可能会修改共享对象的某些状态；大家都修改了共享对象的状态，那么就会出现对象状态的紊乱。对于享元模式，在实现时一定要考虑到共享对象的状态问题。那么享元模式是如何实现的呢？

在享元模式中，有两个非常重要的概念：内部状态和外部状态。

内部状态存储于flyweight中，它包含了独立于flyweight场景的信息，这些信息使得flyweight可以被共享。而外部状态取决于flyweight场景，并根据场景而变化，因此不可共享。用户对象负责在必要的时候将外部状态传递给flyweight。

flyweight执行时所需的状态必定是内部的或外部的。内部状态存储于ConcreteFlyweight对象之中；而外部对象则由Client对象存储或计算。当用户调用flyweight对象的操作时，将该状态传递给它。同时，用户不应该直接对ConcreteFlyweight类进行实例化，而只能从FlyweightFactory对象得到ConcreteFlyweight对象，这可以保证对它们适当地进行共享；由于共享一个实例，所以在创建这个实例时，就可以考虑使用单例模式来进行实现。

享元模式的工厂类维护了一个实例列表，这个列表中保存了所有的共享实例；当用户从享元模式的工厂类请求共享对象时，首先查询这个实例表，如果不存在对应实例，则创建一个；如果存在，则直接返回对应的实例。

代码实现：

#include <iostream>

#include <map>

#include <vector>

using namespace std;

 

typedef struct pointTag

{

    int x;

    int y;

 

    pointTag(){}

    pointTag(int a, int b)

    {

        x = a;

        y = b;

    }

 

     bool operator <(const pointTag& other) const

     {

         if (x < other.x)

         {

             return true;

         }

         else if (x == other.x)

         {

             return y < other.y;

         }

 

         return false;

     }

}POINT;

 

typedef enum PieceColorTag

{

    BLACK,

    WHITE

}PIECECOLOR;

 

class CPiece

{

public:

    CPiece(PIECECOLOR color) : m_color(color){}

    PIECECOLOR GetColor() { return m_color; }

 

    // Set the external state

    void SetPoint(POINT point) { m_point = point; }

    POINT GetPoint() { return m_point; }

 

protected:

    // Internal state

    PIECECOLOR m_color;

 

    // external state

    POINT m_point;

};

 

class CGomoku : public CPiece

{

public:

    CGomoku(PIECECOLOR color) : CPiece(color){}

};

 

class CPieceFactory

{

public:

    CPiece *GetPiece(PIECECOLOR color)

    {

        CPiece *pPiece = NULL;

        if (m_vecPiece.empty())

        {

            pPiece = new CGomoku(color);

            m_vecPiece.push_back(pPiece);

        }

        else

        {

            bool bFound = false; // 非常感谢fireace指出的问题

            for (vector<CPiece *>::iterator it = m_vecPiece.begin(); it != m_vecPiece.end(); ++it)

            {

                if ((*it)->GetColor() == color)

                {

                    bFound = true;

                    pPiece = *it;

                    break;

                }

                bFound = false;

            }

            if (!bFound)

            {

                pPiece = new CGomoku(color);

                m_vecPiece.push_back(pPiece);

            }

        }

        return pPiece;

    }

 

    ~CPieceFactory()

    {

        for (vector<CPiece *>::iterator it = m_vecPiece.begin(); it != m_vecPiece.end(); ++it)

        {

            if (*it != NULL)

            {

                delete *it;

                *it = NULL;

            }

        }

    }

 

private:

    vector<CPiece *> m_vecPiece;

};

 

class CChessboard

{

public:

    void Draw(CPiece *piece)

    {

        if (piece->GetColor())

        {

            cout<<"Draw a White"<<" at ("<<piece->GetPoint().x<<","<<piece->GetPoint().y<<")"<<endl;

        }

        else

        {

            cout<<"Draw a Black"<<" at ("<<piece->GetPoint().x<<","<<piece->GetPoint().y<<")"<<endl;

        }

        m_mapPieces.insert(pair<POINT, CPiece *>(piece->GetPoint(), piece));

    }

 

    void ShowAllPieces()

    {

        for (map<POINT, CPiece *>::iterator it = m_mapPieces.begin(); it != m_mapPieces.end(); ++it)

        {

            if (it->second->GetColor())

            {

                cout<<"("<<it->first.x<<","<<it->first.y<<") has a White chese."<<endl;

            }

            else

            {

                cout<<"("<<it->first.x<<","<<it->first.y<<") has a Black chese."<<endl;

            }

        }

    }

 

private:

    map<POINT, CPiece *> m_mapPieces;

};

 

int main()

{

    CPieceFactory *pPieceFactory = new CPieceFactory();

    CChessboard *pCheseboard = new CChessboard();

 

    // The player1 get a white piece from the pieces bowl

    CPiece *pPiece = pPieceFactory->GetPiece(WHITE);

    pPiece->SetPoint(POINT(2, 3));

    pCheseboard->Draw(pPiece);

 

    // The player2 get a black piece from the pieces bowl

    pPiece = pPieceFactory->GetPiece(BLACK);

    pPiece->SetPoint(POINT(4, 5));

    pCheseboard->Draw(pPiece);

 

    // The player1 get a white piece from the pieces bowl

    pPiece = pPieceFactory->GetPiece(WHITE);

    pPiece->SetPoint(POINT(2, 4));

    pCheseboard->Draw(pPiece);

 

    // The player2 get a black piece from the pieces bowl

    pPiece = pPieceFactory->GetPiece(BLACK);

    pPiece->SetPoint(POINT(3, 5));

    pCheseboard->Draw(pPiece);

 

    /*......*/

 

    //Show all cheses

    cout<<"Show all cheses"<<endl;

    pCheseboard->ShowAllPieces();

 

    if (pCheseboard != NULL)

    {

        delete pCheseboard;

        pCheseboard = NULL;

    }

    if (pPieceFactory != NULL)

    {

        delete pPieceFactory;

        pPieceFactory = NULL;

    }

}

内部状态包括棋子的颜色，外部状态包括棋子在棋盘上的位置。最终，我们省去了多个实例对象存储棋子颜色的空间，从而达到了空间的节约。

在上面的代码中，我建立了一个CCheseboard用于表示棋盘，棋盘类中保存了放置的黑色棋子和白色棋子；这就相当于在外部保存了共享对象的外部状态；对于棋盘对象，我们是不是又可以使用享元模式呢？再设计一个棋局类进行管理棋盘上的棋子布局，用来保存外部状态。对于这个，这里不进行讨论了。

优点

享元模式可以避免大量非常相似对象的开销。在程序设计时，有时需要生成大量细粒度的类实例来表示数据。如果能发现这些实例数据除了几个参数外基本都是相同的，使用享元模式就可以大幅度地减少对象的数量。

使用场合

Flyweight模式的有效性很大程度上取决于如何使用它以及在何处使用它。当以下条件满足时，我们就可以使用享元模式了。

1.一个应用程序使用了大量的对象；
2.完全由于使用大量的对象，造成很大的存储开销；
3.对象的大多数状态都可变为外部状态；
4.如果删除对象的外部状态，那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象。

扩展

之前总结了组合模式组合模式，现在回过头来看看，享元模式就好比在组合模式的基础上加上了一个工厂类，进行共享控制。是的，组合模式有的时候会产生很多细粒度的对象，很多时候，我们会将享元模式和组合模式进行结合使用。

总结

使用享元模式可以避免大量相似对象的开销，减小了空间消耗；而空间的消耗是由以下几个因素决定的：

1.实例对象减少的数目；
2.对象内部状态的数目；对象内部状态越多，消耗的空间也会越少；
3.外部状态是计算的还是存储的；由于外部状态可能需要存储，如果外部状态存储起来，那么空间的节省就不会太多。

共享的Flyweight越多，存储节约也就越多，节约量随着共享状态的增多而增大。当对象使用大量的内部及外部状态，并且外部状态是计算出来的而非存储的时候，节约量将达到最大。所以，可以使用两种方法来节约存储：用共享减少内部状态的消耗；用计算时间换取对外部状态的存储。

同时，在实现的时候，一定要控制好外部状态与共享对象的对应关系，比如我在代码实现部分，在CCheseboard类中使用了一个map进行彼此之间的映射，这个映射在实际开发中需要考虑的。

好了，享元模式就总结到这里了。希望大家和我分享你对设计模式的理解。我坚信：分享使我们更进步。
PS：至于腾讯那帮伙计到底是如何实现QQ游戏大厅的，我也不知道，这里也完全是猜测的，请不要以此为基准。