C++ 设计模式之享元模式

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【简介】什么是享元模式 -- 可重复使用

享元模式是⼀种结构型设计模式，在享元模式中，对象被设计为可共享的，可以被多个上下⽂使⽤，⽽不必在每个上下⽂中都创建新的对象。
想要了解享元模式，就必须要区分什么是内部状态，什么是外部状态。

内部状态是指那些可以被多个对象共享的状态，它存储在享元对象内部，并且对于所有享元对象都是相同的，这部分状态通常是不变的。
外部状态是享元对象依赖的、可能变化的部分。这部分状态不存储在享元对象内部，⽽是在使⽤享元对象时通过参数传递给对象。

        举个例⼦，图书馆中有很多相同的书籍，但每本书都可以被多个⼈借阅，图书馆⾥的书就是内部状态，⼈就是外部状态。
        再举个开发中的例⼦，假设我们在构建⼀个简单的图形编辑器，⽤户可以在画布上绘制不同类型的图形，⽽图形就是所有图形对象的内部状态（不变的），⽽图形的坐标位置就是图形对象的外部状态（变化的）。
        如果图形编辑器中有成千上万的图形对象，每个图形对象都独⽴创建并存储其内部状态，那么系统的内存占⽤可能会很⼤，在这种情况下，享元模式共享相同类型的图形对象，每种类型的图形对象只需创建⼀个共享实例，然后通过设置不同的坐标位置个性化每个对象，通过共享相同的内部状态，降低了对象的创建和内存占⽤成本。

【基本结构】

享元模式包括以下⼏个重要⻆⾊：

享元接⼝Flyweight : 所有具体享元类的共享接⼝，通常包含对外部状态的操作。
具体享元类ConcreteFlyweight : 继承Flyweight 类或实现享元接⼝，包含内部状态。
享元⼯⼚类FlyweightFactory : 创建并管理享元对象，当⽤户请求时，提供已创建的实例或者创建⼀个。
客户端Client : 维护外部状态，在使⽤享元对象时，将外部状态传递给享元对象。

【简易实现】

享元模式的实现通常涉及以下步骤：（以Java代码作以说明）

1. 定义享元接⼝，接受外部状态作为参数并进⾏处理。

// 步骤 1: 定义享元接⼝
interface Flyweight {// 操作外部状态void operation(String externalState);
}

2. 实现具体享元类, 存储内部状态。

// 步骤 2: 实现具体享元类
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {private String intrinsicState; // 内部状态public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) {this.intrinsicState = intrinsicState;}@Overridepublic void operation(String externalState) {System.out.println("Intrinsic State: " + intrinsicState + ", External State: "+ externalState);}
}

3. 创建享元⼯⼚类，创建并管理Flyweight 对象，当⽤户请求⼀个Flyweight 时，享元⼯⼚会提供⼀个已经创建的实例或者创建⼀个。

class FlyweightFactory {private Map<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>();public Flyweight getFlyweight(String key) {if (!flyweights.containsKey(key)) {flyweights.put(key, new ConcreteFlyweight(key));}return flyweights.get(key);}
}

4. 客户端使⽤享元模式

public class Main {public static void main(String[] args) {FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();// 获取或创建享元对象，并传递外部状态Flyweight flyweight1 = factory.getFlyweight("A");flyweight1.operation("External State 1");Flyweight flyweight2 = factory.getFlyweight("B");flyweight2.operation("External State 2");Flyweight flyweight3 = factory.getFlyweight("A"); // 【重复使⽤！】已存在的享元对象flyweight3.operation("External State 3");}
}

【使用场景】

使⽤享元模式的关键在于包含⼤量相似对象，并且这些对象的内部状态可以共享。具体的应⽤场景包括⽂本编辑器，图形编辑器，游戏中的⻆⾊创建，这些对象的内部状态⽐较固定(外观，技能，形状)，但是外部状态变化⽐较⼤时，可以使⽤。

【编码部分】

1. 题目描述

在一个图形编辑器中，用户可以绘制不同类型的图形，包括圆形（CIRCLE）、矩形（RECTANGLE）、三角形（TRIANGLE）等。现在，请你实现一个图形绘制程序，要求能够共享相同类型的图形对象，以减少内存占用；

2. 输入描述

输入包含多行，每行表示一个绘制命令。每个命令包括两部分：图形类型（Circle、Rectangle 或 Triangle）绘制的坐标位置（两个整数，分别表示 x 和 y）；

3. 输出描述

对于每个绘制命令，输出相应图形被绘制的位置信息。如果图形是首次绘制，输出 "drawn at"，否则输出 "shared at"。

4. C++ 编码部分

/**
* @version Copyright (c) 2024 NCDC, Servo。 Unpublished - All rights reserved
* @file FlyWeightMode.hpp
* @brief 享元模式
* @autor 写代码的小恐龙er
* @date 2024/01/13
*/#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <map>using namespace std;// 形状枚举类
enum class ShapeType{CIRCLE,   // 圆形RECTANGLE,// 矩形TRIANGLE, // 三角形
};// 前置声明// 图形位置
class Position;
// 1 -- 享元接口类
class Shape;
// 2 -- 具体实现享元接口
class ConcreteShape;
// 3 -- 享元工厂
class ShapeFactory;// 图形位置
class Position
{
// 成员数据
private:int _x;int _y;// 成员函数
public:Position(){}Position(int x, int y){this->_x = x;this->_y = y;}// 成员函数获取接口int GetX(){return _x;}int GetY(){return _y;}
};// 1 -- 享元接口类
class Shape
{
// 接口函数
public:virtual void DrawShape(Position *position) = 0;
};// 2 -- 具体实现享元接口
class ConcreteShape : public Shape
{
// 成员数据
private:// 形状类型ShapeType _shapeType;// 首次绘制标志bool _firstTime = true;
// 成员函数
public:// 通过 形状类型来创建具体的对象ConcreteShape(ShapeType shapeType){this->_shapeType = shapeType;}// 设置是否首次绘制标志位void SetFirstTime(bool flag){this->_firstTime = flag;}// 重载基类的接口函数void DrawShape(Position *position){string outStr = "";switch(_shapeType){case ShapeType::CIRCLE:outStr = "CIRCLE";break;case ShapeType::RECTANGLE:outStr = "RECTANGLE";break;case ShapeType::TRIANGLE:outStr = "TRIANGLE";break;}if(_firstTime) outStr += " drawn at (";else outStr += " shared at (";std::cout << outStr << (position->GetX()) << ", " << (position->GetY()) << ")" << endl;}
};// 3 -- 享元工厂
class ShapeFactory
{
// 成员数据
private:// 包含可扩展的享元类std::map<ShapeType, Shape*> _shapesMap;// 成员函数
public:Shape* GetShape(ShapeType type){std::map<ShapeType, Shape*>::iterator pos = _shapesMap.find(type);if(pos == _shapesMap.end()){// 如果在map中找不到具体的形状实现类 则新建_shapesMap.insert(make_pair(type, new ConcreteShape(type)));}// 返回 具体的形状实现类return _shapesMap[type];}
};int main()
{// 形状类型 string type;// x yint x = 0;int y = 0;// 新建位置类Position *position = nullptr;// 新建享元工厂类ShapeFactory *shapeFactory = new ShapeFactory();while(std::cin >> type >> x >> y){// 形状类型ShapeType shapeType;if(type == "CIRCLE"){shapeType = static_cast<ShapeType>(0);}else if(type == "RECTANGLE"){shapeType = static_cast<ShapeType>(1);}else if(type == "TRIANGLE"){shapeType = static_cast<ShapeType>(2);}// 位置类position = new Position(x, y);// 具体的享元实现类Shape *shape = shapeFactory->GetShape(shapeType);// 先进行绘制操作shape->DrawShape(position);// 通过 dynamic_cast 向下类型转换ConcreteShape *concreteShape = dynamic_cast<ConcreteShape *> (shape);if(concreteShape == nullptr) return 0;// 再将该类型的标志位置为falseconcreteShape->SetFirstTime(false);}// 析构if(position != nullptr){delete position;position = nullptr;}delete shapeFactory;shapeFactory = nullptr;return 0;
}

......

To be continued.

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