C++設計模式之享元模式

2020-05-23 14:20:41

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供稿：網友

前言

無聊的時候，也去QQ游戲大廳玩五子棋或者象棋；作為程序員，看到一個產品，總要去想想它是怎么設計的，怎么完成的，我想這個是所有程序員都會做的事情吧（強迫癥？？？）。有的時候，想完了，還要做一個DEMO出來，才能體現自己的NB，然后還有點小成就感。

在玩五子棋或象棋的時候，我就想過，騰訊那幫伙計是怎么做的呢？五子棋的棋子有黑白兩色，難道每次放一個棋子就new一個對象么？象棋有車、馬、相、士、帥、炮和兵，是不是每盤棋都要把所有的棋子都new出來呢？如果真的是每一個棋子都new一個，那么再加上那么多人玩；那要new多少對象啊，如果是這樣做的話，我想有多少服務器都是搞不定的，可能QQ游戲大廳會比12306還糟糕。那騰訊那幫伙計是如何實現的呢？那就要說到今天總結的享元模式了。

什么是享元模式？

在GOF的《設計模式:可復用面向對象軟件的基礎》一書中對享元模式是這樣說的：運用共享技術有效地支持大量細粒度的對象。

就如上面說的棋子，如果每個棋子都new一個對象，就會存在大量細粒度的棋子對象，這對服務器的內存空間是一種考驗，也是一種浪費。我們都知道，比如我在2013號房間和別人下五子棋，2014號房間也有人在下五子棋，并不會因為我在2013號房間，而別人在2014號房間，而導致我們的棋子是不一樣的。這就是說，2013號房間和2014號房間的棋子都是一樣的，所有的五子棋房間的棋子都是一樣的。唯一的不同是每個棋子在不同的房間的不同棋盤的不同位置上。所以，對于棋子來說，我們不用放一個棋子就new一個棋子對象，只需要在需要的時候，去請求獲得對應的棋子對象，如果沒有，就new一個棋子對象；如果有了，就直接返回棋子對象。這里以五子棋為例子，進行分析，當玩家在棋盤上放入第一個白色棋子時，此時由于沒有白色棋子，所以就new一個白色棋子；當另一個玩家放入第一個黑色棋子時，此時由于沒有黑色棋子，所以就需要new一個黑色棋子；當玩家再次放入一個白色棋子時，就去查詢是否有已經存在的白色棋子對象，由于第一次已經new了一個白色棋子對象，所以，現在不會再次new一個白色棋子對象，而是返回以前new的白色棋子對象；對于黑色棋子，亦是同理；獲得了棋子對象，我們只需要設置棋子的不同棋盤位置即可。

UML類圖

Flyweight：描述一個接口，通過這個接口flyweight可以接受并作用于外部狀態；

ConcreteFlyweight：實現Flyweight接口，并為定義了一些內部狀態，ConcreteFlyweight對象必須是可共享的；同時，它所存儲的狀態必須是內部的；即，它必須獨立于ConcreteFlyweight對象的場景；

UnsharedConcreteFlyweight：并非所有的Flyweight子類都需要被共享。Flyweight接口使共享成為可能，但它并不強制共享。

FlyweightFactory：創建并管理flyweight對象。它需要確保合理地共享flyweight；當用戶請求一個flyweight時，FlyweightFactory對象提供一個已創建的實例，如果請求的實例不存在的情況下，就新創建一個實例；

Client：維持一個對flyweight的引用；同時，它需要計算或存儲flyweight的外部狀態。

實現要點

根據我們的經驗，當要將一個對象進行共享時，就需要考慮到對象的狀態問題了；不同的客戶端獲得共享的對象之后，可能會修改共享對象的某些狀態；大家都修改了共享對象的狀態，那么就會出現對象狀態的紊亂。對于享元模式，在實現時一定要考慮到共享對象的狀態問題。那么享元模式是如何實現的呢？

在享元模式中，有兩個非常重要的概念：內部狀態和外部狀態。

內部狀態存儲于flyweight中，它包含了獨立于flyweight場景的信息，這些信息使得flyweight可以被共享。而外部狀態取決于flyweight場景，并根據場景而變化，因此不可共享。用戶對象負責在必要的時候將外部狀態傳遞給flyweight。

flyweight執行時所需的狀態必定是內部的或外部的。內部狀態存儲于ConcreteFlyweight對象之中；而外部對象則由Client對象存儲或計算。當用戶調用flyweight對象的操作時，將該狀態傳遞給它。同時，用戶不應該直接對ConcreteFlyweight類進行實例化，而只能從FlyweightFactory對象得到ConcreteFlyweight對象，這可以保證對它們適當地進行共享；由于共享一個實例，所以在創建這個實例時，就可以考慮使用單例模式來進行實現。

享元模式的工廠類維護了一個實例列表，這個列表中保存了所有的共享實例；當用戶從享元模式的工廠類請求共享對象時，首先查詢這個實例表，如果不存在對應實例，則創建一個；如果存在，則直接返回對應的實例。

代碼實現：

復制代碼代碼如下:

	
	#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; // 非常感謝fireace指出的問題
	            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;
	    }
	}