第12章 享元模式（Flyweight Pattern）

享元模式（Flyweight Pattern）

——.NET设计模式系列之十三

Terrylee，2006年3月

摘要：面向对象的思想很好地解决了抽象性的问题，一般也不会出现性能上的问题。但是在某些情况下，对象的数量可能会太多，从而导致了运行时的代价。那么我们如何去避免大量细粒度的对象，同时又不影响客户程序使用面向对象的方式进行操作？

本文试图通过一个简单的字符处理的例子，运用重构的手段，一步步带你走进Flyweight模式，在这个过程中我们一同思考、探索、权衡，通过比较而得出好的实现方式，而不是给你最终的一个完美解决方案。

主要内容：

1． Flyweight模式解说

2．.NET中的Flyweight模式

3．Flyweight模式的实现要点

……

概述

面向对象的思想很好地解决了抽象性的问题，一般也不会出现性能上的问题。但是在某些情况下，对象的数量可能会太多，从而导致了运行时的代价。那么我们如何去避免大量细粒度的对象，同时又不影响客户程序使用面向对象的方式进行操作？

意图

运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。[GOF 《设计模式》]

结构图

图1 Flyweight模式结构图

生活中的例子

享元模式使用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。公共交换电话网（PSTN）是享元的一个例子。有一些资源例如拨号音发生器、振铃发生器和拨号接收器是必须由所有用户共享的。当一个用户拿起听筒打电话时，他不需要知道使用了多少资源。对于用户而言所有的事情就是有拨号音，拨打号码，拨通电话。

图2 使用拨号音发生器例子的享元模式对象图

Flyweight模式解说

Flyweight在拳击比赛中指最轻量级，即“蝇量级”，这里翻译为“享元”，可以理解为共享元对象（细粒度对象）的意思。提到Flyweight模式都会一般都会用编辑器例子来说明，这里也不例外，但我会尝试着通过重构来看待Flyweight模式。考虑这样一个字处理软件，它需要处理的对象可能有单个的字符，由字符组成的段落以及整篇文档，根据面向对象的设计思想和Composite模式，不管是字符还是段落，文档都应该作为单个的对象去看待，这里只考虑单个的字符，不考虑段落及文档等对象，于是可以很容易的得到下面的结构图：

图3

示意性实现代码：

//"Charactor"
publicabstractclassCharactor
{
//Fields
protectedchar_symbol;

protectedint_width;

protectedint_height;

protectedint_ascent;

protectedint_descent;

protectedint_pointSize;

//Method
publicabstractvoidDisplay();
}

//"CharactorA"
publicclassCharactorA:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorA()
{
this._symbol='A';
this._height=100;
this._width=120;
this._ascent=70;
this._descent=0;
this._pointSize=12;
}

//Method
publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}

//"CharactorB"
publicclassCharactorB:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorB()
{
this._symbol='B';
this._height=100;
this._width=140;
this._ascent=72;
this._descent=0;
this._pointSize=10;
}

//Method
publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}

//"CharactorC"
publicclassCharactorC:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorC()
{
this._symbol='C';
this._height=100;
this._width=160;
this._ascent=74;
this._descent=0;
this._pointSize=14;
}

//Method
publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}

好了，现在看到的这段代码可以说是很好地符合了面向对象的思想，但是同时我们也为此付出了沉重的代价，那就是性能上的开销，可以想象，在一篇文档中，字符的数量远不止几百个这么简单，可能上千上万，内存中就同时存在了上千上万个Charactor对象，这样的内存开销是可想而知的。进一步分析可以发现，虽然我们需要的Charactor实例非常多，这些实例之间只不过是状态不同而已，也就是说这些实例的状态数量是很少的。所以我们并不需要这么多的独立的Charactor实例，而只需要为每一种Charactor状态创建一个实例，让整个字符处理软件共享这些实例就可以了。看这样一幅示意图：

图4

现在我们看到的A，B，C三个字符是共享的，也就是说如果文档中任何地方需要这三个字符，只需要使用共享的这三个实例就可以了。然而我们发现单纯的这样共享也是有问题的。虽然文档中的用到了很多的A字符，虽然字符的symbol等是相同的，它可以共享；但是它们的pointSize却是不相同的，即字符在文档中中的大小是不相同的，这个状态不可以共享。为解决这个问题，首先我们将不可共享的状态从类里面剔除出去，即去掉pointSize这个状态（只是暂时的J），类结构图如下所示：

图5

示意性实现代码：

//"Charactor"
publicabstractclassCharactor
{
//Fields
protectedchar_symbol;

protectedint_width;

protectedint_height;

protectedint_ascent;

protectedint_descent;

//Method
publicabstractvoidDisplay();
}

//"CharactorA"
publicclassCharactorA:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorA()
{
this._symbol='A';
this._height=100;
this._width=120;
this._ascent=70;
this._descent=0;
}

//Method
publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}

//"CharactorB"
publicclassCharactorB:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorB()
{
this._symbol='B';
this._height=100;
this._width=140;
this._ascent=72;
this._descent=0;
}

//Method
publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}

//"CharactorC"
publicclassCharactorC:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorC()
{
this._symbol='C';
this._height=100;
this._width=160;
this._ascent=74;
this._descent=0;
}

//Method
publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}

好，现在类里面剩下的状态都可以共享了，下面我们要做的工作就是控制Charactor类的创建过程，即如果已经存在了“A”字符这样的实例，就不需要再创建，直接返回实例；如果没有，则创建一个新的实例。如果把这项工作交给Charactor类，即Charactor类在负责它自身职责的同时也要负责管理Charactor实例的管理工作，这在一定程度上有可能违背类的单一职责原则，因此，需要一个单独的类来做这项工作，引入CharactorFactory类，结构图如下：

图6

示意性实现代码：

//"CharactorFactory"
publicclassCharactorFactory
{
//Fields
privateHashtablecharactors=newHashtable();

//Constructor
publicCharactorFactory()
{
charactors.Add("A",newCharactorA());
charactors.Add("B",newCharactorB());
charactors.Add("C",newCharactorC());
}

//Method
publicCharactorGetCharactor(stringkey)
{
Charactorcharactor=charactors[key]asCharactor;

if(charactor==null)
{
switch(key)
{
case"A":charactor=newCharactorA();break;
case"B":charactor=newCharactorB();break;
case"C":charactor=newCharactorC();break;
//
}
charactors.Add(key,charactor);
}
returncharactor;
}
}

到这里已经完全解决了可以共享的状态（这里很丑陋的一个地方是出现了switch语句，但这可以通过别的办法消除，为了简单期间我们先保持这种写法）。下面的工作就是处理刚才被我们剔除出去的那些不可共享的状态，因为虽然将那些状态移除了，但是Charactor对象仍然需要这些状态，被我们剥离后这些对象根本就无法工作，所以需要将这些状态外部化。首先会想到一种比较简单的解决方案就是对于不能共享的那些状态，不需要去在Charactor类中设置，而直接在客户程序代码中进行设置，类结构图如下：

图7

示意性实现代码：

publicclassProgram
{
publicstaticvoidMain()
{
Charactorca=newCharactorA();
Charactorcb=newCharactorB();
Charactorcc=newCharactorC();

//显示字符

//设置字符的大小ChangeSize();
}

publicvoidChangeSize()
{
//在这里设置字符的大小
}
}

按照这样的实现思路，可以发现如果有多个客户端程序使用的话，会出现大量的重复性的逻辑，用重构的术语来说是出现了代码的坏味道，不利于代码的复用和维护；另外把这些状态和行为移到客户程序里面破坏了封装性的原则。再次转变我们的实现思路，可以确定的是这些状态仍然属于Charactor对象，所以它还是应该出现在Charactor类中，对于不同的状态可以采取在客户程序中通过参数化的方式传入。类结构图如下：

图8

示意性实现代码：

//"Charactor"
publicabstractclassCharactor
{
//Fields
protectedchar_symbol;

protectedint_width;

protectedint_height;

protectedint_ascent;

protectedint_descent;

protectedint_pointSize;

//Method
publicabstractvoidSetPointSize(intsize);
publicabstractvoidDisplay();
}

//"CharactorA"
publicclassCharactorA:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorA()
{
this._symbol='A';
this._height=100;
this._width=120;
this._ascent=70;
this._descent=0;
}

//Method
publicoverridevoidSetPointSize(intsize)
{
this._pointSize=size;
}

publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol+
"pointsize:"+this._pointSize);
}
}

//"CharactorB"
publicclassCharactorB:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorB()
{
this._symbol='B';
this._height=100;
this._width=140;
this._ascent=72;
this._descent=0;
}

//Method
publicoverridevoidSetPointSize(intsize)
{
this._pointSize=size;
}

publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol+
"pointsize:"+this._pointSize);
}
}

//"CharactorC"
publicclassCharactorC:Charactor
{
//Constructor
publicCharactorC()
{
this._symbol='C';
this._height=100;
this._width=160;
this._ascent=74;
this._descent=0;
}

//Method
publicoverridevoidSetPointSize(intsize)
{
this._pointSize=size;
}

publicoverridevoidDisplay()
{
Console.WriteLine(this._symbol+
"pointsize:"+this._pointSize);
}
}

//"CharactorFactory"
publicclassCharactorFactory
{
//Fields
privateHashtablecharactors=newHashtable();

//Constructor
publicCharactorFactory()
{
charactors.Add("A",newCharactorA());
charactors.Add("B",newCharactorB());
charactors.Add("C",newCharactorC());
}

//Method
publicCharactorGetCharactor(stringkey)
{
Charactorcharactor=charactors[key]asCharactor;

if(charactor==null)
{
switch(key)
{
case"A":charactor=newCharactorA();break;
case"B":charactor=newCharactorB();break;
case"C":charactor=newCharactorC();break;
//
}
charactors.Add(key,charactor);
}
returncharactor;
}
}

publicclassProgram
{
publicstaticvoidMain()
{
CharactorFactoryfactory=newCharactorFactory();

//Charactor"A"
CharactorAca=(CharactorA)factory.GetCharactor("A");
ca.SetPointSize(12);
ca.Display();

//Charactor"B"
CharactorBcb=(CharactorB)factory.GetCharactor("B");
ca.SetPointSize(10);
ca.Display();

//Charactor"C"
CharactorCcc=(CharactorC)factory.GetCharactor("C");
ca.SetPointSize(14);
ca.Display();
}
}

可以看到这样的实现明显优于第一种实现思路。好了，到这里我们就到到了通过Flyweight模式实现了优化资源的这样一个目的。在这个过程中，还有如下几点需要说明：

1．引入CharactorFactory是个关键，在这里创建对象已经不是new一个Charactor对象那么简单，而必须用工厂方法封装起来。

2．在这个例子中把Charactor对象作为Flyweight对象是否准确值的考虑，这里只是为了说明Flyweight模式，至于在实际应用中，哪些对象需要作为Flyweight对象是要经过很好的计算得知，而绝不是凭空臆想。

3．区分内外部状态很重要，这是享元对象能做到享元的关键所在。

到这里，其实我们的讨论还没有结束。有人可能会提出如下问题，享元对象（Charactor）在这个系统中相对于每一个内部状态而言它是唯一的，这跟单件模式有什么区别呢？这个问题已经很好回答了，那就是单件类是不能直接被实例化的，而享元类是可以被实例化的。事实上在这里面真正被设计为单件的应该是享元工厂（不是享元）类，因为如果创建很多个享元工厂的实例，那我们所做的一切努力都是白费的，并没有减少对象的个数。修改后的类结构图如下：

图9

示意性实现代码：

//"CharactorFactory"
publicclassCharactorFactory
{
//Fields
privateHashtablecharactors=newHashtable();

privateCharactorFactoryinstance;
//Constructor
privateCharactorFactory()
{
charactors.Add("A",newCharactorA());
charactors.Add("B",newCharactorB());
charactors.Add("C",newCharactorC());
}

//Property
publicCharactorFactoryInstance
{
get
{
if(instance!=null)
{
instance=newCharactorFactory();
}
returninstance;
}
}

//Method
publicCharactorGetCharactor(stringkey)
{
Charactorcharactor=charactors[key]asCharactor;

if(charactor==null)
{
switch(key)
{
case"A":charactor=newCharactorA();break;
case"B":charactor=newCharactorB();break;
case"C":charactor=newCharactorC();break;
//
}
charactors.Add(key,charactor);
}
returncharactor;
}
}

.NET框架中的Flyweight

Flyweight更多时候的时候一种底层的设计模式，在我们的实际应用程序中使用的并不是很多。在.NET中的String类型其实就是运用了Flyweight模式。可以想象，如果每次执行string s1 = “abcd”操作，都创建一个新的字符串对象的话，内存的开销会很大。所以.NET中如果第一次创建了这样的一个字符串对象s1，下次再创建相同的字符串s2时只是把它的引用指向“abcd”，这样就实现了“abcd”在内存中的共享。可以通过下面一个简单的程序来演示s1和s2的引用是否一致：

publicclassProgram
{
publicstaticvoidMain(string[]args)
{
strings1="abcd";
strings2="abcd";

Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(s1,s2));

Console.ReadLine();
}
}

可以看到，输出的结果为True。但是大家要注意的是如果再有一个字符串s3，它的初始值为“ab”，再对它进行操作s3 = s3 + “cd”，这时虽然s1和s3的值相同，但是它们的引用是不同的。关于String的详细情况大家可以参考SDK，这里不再讨论了。

效果及实现要点

1．面向对象很好的解决了抽象性的问题，但是作为一个运行在机器中的程序实体，我们需要考虑对象的代价问题。Flyweight设计模式主要解决面向对象的代价问题，一般不触及面向对象的抽象性问题。

2．Flyweight采用对象共享的做法来降低系统中对象的个数，从而降低细粒度对象给系统带来的内存压力。在具体实现方面，要注意对象状态的处理。

3．享元模式的优点在于它大幅度地降低内存中对象的数量。但是，它做到这一点所付出的代价也是很高的：享元模式使得系统更加复杂。为了使对象可以共享，需要将一些状态外部化，这使得程序的逻辑复杂化。另外它将享元对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间稍微变长。

适用性

当以下所有的条件都满足时，可以考虑使用享元模式：

1、 一个系统有大量的对象。

2、 这些对象耗费大量的内存。

3、 这些对象的状态中的大部分都可以外部化。

4、 这些对象可以按照内蕴状态分成很多的组，当把外蕴对象从对象中剔除时，每一个组都可以仅用一个对象代替。

5、 软件系统不依赖于这些对象的身份，换言之，这些对象可以是不可分辨的。

满足以上的这些条件的系统可以使用享元对象。最后，使用享元模式需要维护一个记录了系统已有的所有享元的表，而这需要耗费资源。因此，应当在有足够多的享元实例可供共享时才值得使用享元模式。

总结

Flyweight模式解决的是由于大量的细粒度对象所造成的内存开销的问题，它在实际的开发中并不常用，但是作为底层的提升性能的一种手段却很有效。

参考资料

Erich Gamma等，《设计模式：可复用面向对象软件的基础》，机械工业出版社

Robert C.Martin，《敏捷软件开发：原则、模式与实践》，清华大学出版社

阎宏，《Java与模式》，电子工业出版社

Alan Shalloway James R. Trott，《Design Patterns Explained》，中国电力出版社

MSDN WebCast 《C#面向对象设计模式纵横谈(12)：Flyweight享元模式(结构型模式)》

http://www.dofactory.com/

作者：TerryLee
出处：http://terrylee.cnblogs.com
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