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C# 中的享元设计模式

Rahul Dhammy
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2014年7月6日

CPOL

6分钟阅读

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使用 C# 实现享元设计模式

引言

本文将介绍享元设计模式的概念以及如何在 C# 中实现它。

背景

享元设计模式虽然不常用，但在内存受限的场景下非常有帮助。简单来说，享元模式适用于我们希望限制对象创建数量的情况。我说“限制对象创建数量”了吗？我们生活在一个面向对象的、鼓励创建对象的时代，如何能减少对象创建呢？所以我要重新审视享元模式的定义。根据 GOF 的定义——“享元是可以在多个上下文同时使用的共享对象”。那么，为什么这个模式叫做享元呢？“软件中的享元”这个词与“拳击中的羽量级”类似，羽量级指的是一个轻量级的拳击级别。同样，我们也有一个轻量级对象（不是拳击手），它可以在系统中同时用于不同的地方。

享元对象可以由 2 种状态来描述：

  1. 内在状态 - 正如其名，内在状态是享元对象固有的、可以共享的。内在状态独立于享元的上下文。
  2. 外在状态 - 外在状态是随享元上下文而变化的，因此不能共享。

为了区分内在状态和外在状态，让我们看一个非常著名的例子（GOF 书中也有提及）。文字处理器需要处理字符对象。如果我们看文字处理器中的一个字符对象，它的状态包括字体、样式、位置、实际内容。仅从这个例子来看，我们可以发现字符的字体、样式、位置都可以变化，但字符的内容可以是相同的（至少在 26 个字母 [a-z] 中）。所以，字符的字体、样式、位置都是外在状态，因为它们会变化且不能共享。字符的内容（如“a”、“b”……）可以共享，构成了内在状态。因此，我们可以得出结论，如果我们在一个系统中需要创建大量对象，并且每个对象都可以通过共同的内在状态和外在状态来描述，那么我们就应该考虑应用享元模式。

让我们来看一下享元模式的 UML 图和各个参与者。

 

 

FlyweightFactory（享元工厂）：顾名思义，它是一个工厂，负责管理享元。当请求一个享元对象时，工厂会返回已有的实例，否则会创建一个新的享元，将其添加到工厂缓存中并返回。

IFlyweight（享元接口）：这是享元实现的接口。GetExtrinsicState 方法获取外在状态，IntrinsicState 存储享元的内在状态。

ConcreteFlyweight（具体享元）：这是实际的享元对象，它是可共享的。它存储内在状态并派生外在状态。

使用代码

现在考虑一个实现享元模式的例子。假设我们要创建一个动画游戏，我最喜欢的卡通人物必须收集从天而降的金钱。

你在这里闻到享元模式的味道了吗？现在，由于我们需要跟踪“卡通人物”收集了多少金额，我们将创建这些独立货币面额的“对象”，以便计算总额。由于在这个动画游戏中会有大量的金钱从天而降，想象一下“纸币”对象会占用多少内存？通常，货币对象会包含国父的肖像、艺术字体等许多其他内容，而这些对于这些对象来说总是相同的。同样，每种金属货币的面额也会是相似的对象。因此，我们不必为这些掉落的金钱创建数千个对象，而是只创建 2 个对象：一个用于金属货币，一个用于纸币。此外，由于这些对象的各种属性很容易分为内在状态和外在状态，因此这是一个应用享元模式的理想场景。下表显示了纸币的内在状态和外在状态。

纸币

基于上述场景/问题，让我们看看代码，了解享元模式的使用。（注意：在上面我们可以创建单个面额货币的享元，但为了代码的简洁性，我避免了这样做，只创建了金属货币和纸币的享元）。

public enum EnMoneyType
{
  Metallic,
  Paper
}

public interface IMoney
{
  EnMoneyType MoneyType { get; } //IntrinsicState()
  void GetDisplayOfMoneyFalling(int moneyValue); //GetExtrinsicSate()
}

上述接口“IMoney”对应于 IFlyweight 接口。“MoneyType”将保存内在状态（金属货币、纸币将是享元类的内在状态），而 GetDisplayOfMoneyFalling 操作将作用于享元的外在状态，即货币面额。

public class MetallicMoney:IMoney
{
   public EnMoneyType MoneyType
   {
     get { return EnMoneyType.Metallic; }
   }

   public void GetDisplayOfMoneyFalling(int moneyValue)
   {
     //This method would display graphical representation of a metallic currency like a    
       gold coin.
       Console.WriteLine(string.Format("Displaying a graphical object of {0} currency of 
                                        value ${1} falling from sky."
                                        , MoneyType.ToString(), moneyValue)
                                      );
   }
}

这是实现 IMoney 接口的具体享元“金属货币”类。这个享元将用于创建不同的对象（每个对象都有不同的外在状态）。这里的外在状态将是 moneyValue，内在状态将是金属货币。

class PaperMoney:IMoney
{
  public EnMoneyType MoneyType
  {
    get { return EnMoneyType.Paper; }
  }

  public void GetDisplayOfMoneyFalling(int moneyValue) //GetExtrinsicState()
  {
    // This method would display a graphical representation of a paper currency.
       Console.WriteLine(string.Format("Displaying a graphical object of {0} currency                                        of value ${1} falling from sky."
                                       ,MoneyType.ToString(), moneyValue));
  }
}

这是另一个将被用于创建多个对象的具体享元。它的内在状态是“纸币”，外在状态将是 moneyValue（货币面额）。

public class MoneyFactory
{
   public static int ObjectsCount=0;
   private Dictionary<enmoneytype,imoney> _moneyObjects;
   public IMoney GetMoneyToDisplay(EnMoneyType form) // Same as GetFlyWeight()
   {
      if (_moneyObjects == null)
           _moneyObjects = new Dictionary<enmoneytype,>();
      if (_moneyObjects.ContainsKey(form))
            return _moneyObjects[form];
      switch (form)
      {
          case EnMoneyType.Metallic:
              _moneyObjects.Add(form, new MetallicMoney());
               ObjectsCount++;
               break;
          case EnMoneyType.Paper:
              _moneyObjects.Add(form, new PaperMoney());
               ObjectsCount++;
               break;
          default:
               break;
      }
      return _moneyObjects[form];
   }
}

所以这个“MoneyFactory”类就是我们的享元工厂，它负责管理享元的创建，并确保如果对象已存在于字典中，则返回该对象的实例，否则则创建新对象。上面的类还通过 ObjectsCount 变量跟踪创建的对象数量。

现在我们来看看将要使用享元模式的客户端。

class Program
{
   static void Main(string[] args)
   {
     const int ONE_MILLION=10000; // <--- Suppose this is one million :)
     int[] currencyDenominations = new[] { 1, 5, 10, 20, 50, 100 };
     MoneyFactory moneyFactory = new MoneyFactory();
     int sum = 0;
     while (sum <= ONE_MILLION)
     {
       IMoney graphicalMoneyObj=null;
       Random rand = new Random();
       int currencyDisplayValue=currencyDenominations[rand.Next(0,currencyDenominations
                                                      .Length)];
       if (currencyDisplayValue == 1 || currencyDisplayValue==5)
          graphicalMoneyObj=moneyFactory.GetMoneyToDisplay(EnMoneyType.Metallic);
       else
          graphicalMoneyObj=moneyFactory.GetMoneyToDisplay(EnMoneyType.Paper);
                
       graphicalMoneyObj.GetDisplayOfMoneyFalling(currencyDisplayValue);
       sum = sum + currencyDisplayValue;
     }
     Console.WriteLine("Total Objects created="+ MoneyFactory.ObjectsCount.ToString());
            Console.ReadLine();
        }
}

客户端获取享元实例并显示结果（金钱从天而降的图形化结果——暂时忽略实际实现）。在这里，我们循环到从天而降的金钱数量达到一百万。我们生成一些随机的货币面额，以掉落随机面额的金钱。如果货币面额是 1 或 5，我们就掉落金属货币，否则我们就掉落纸币，这样我们的游戏就完成了……。

程序的输出将是这样的。

创建的总对象数量将是

关注点

因此，从上面的代码我们可以看出，享元模式在需要创建许多相似类型的对象，且这些对象只有细微差别的情况下非常有用。享元模式将为我们节省内存空间，并让我们编写处理较少对象的代码。

历史

版本 1.0 (2014/07/06)

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