設計模式實作系列（十三）：Flyweight 享元模式 - 共享細粒度物件大幅降低記憶體佔用

模式意圖

運用共享技術有效地支援大量細粒度的物件。

UML 結構圖

核心解析：內部狀態與外部狀態

• 內部狀態： 可共享、不隨環境變化（如字元字型、圖示資料），儲存於享元物件內部。
• 外部狀態： 隨環境變化、不可共享（如字元位置、顏色），由客戶端傳入操作時提供。
• 享元工廠： 管理享元池（std::list/unordered_map），GetFlyweight(key) 先查找池中是否存在，否則建立新物件並加入池中。
• 非共享享元： 部分物件不適合共享（如特定上下文的組合），直接由客戶端實例化，不經工廠。

C++ 完整實作（僅示範可共享部分）

1. Flyweight.h

#ifndef FLYWEIGHT_H
#define FLYWEIGHT_H

#include <string>
#include <list>
typedef std::string STATE;

class Flyweight {
public:
    virtual ~Flyweight() {}
    STATE GetIntrinsicState() const;
    virtual void Operation(STATE& ExtrinsicState) = 0;
protected:
    Flyweight(const STATE& state) : m_State(state) {}
private:
    STATE m_State;
};

class FlyweightFactory {
public:
    FlyweightFactory() {}
    ~FlyweightFactory();
    Flyweight* GetFlyweight(const STATE& key);
private:
    std::list<Flyweight*> m_listFlyweight;
};

class ConcreteFlyweight : public Flyweight {
public:
    ConcreteFlyweight(const STATE& state) : Flyweight(state) {}
    virtual ~ConcreteFlyweight() {}
    virtual void Operation(STATE& ExtrinsicState);
};

#endif

2. Flyweight.cpp

#include "Flyweight.h"
#include <iostream>

STATE Flyweight::GetIntrinsicState() const { return m_State; }

FlyweightFactory::~FlyweightFactory() {
    for (auto p : m_listFlyweight) delete p;
    m_listFlyweight.clear();
}

Flyweight* FlyweightFactory::GetFlyweight(const STATE& key) {
    for (auto p : m_listFlyweight) {
        if (p->GetIntrinsicState() == key) {
            std::cout << "The Flyweight: " << key << " already exists\n";
            return p;
        }
    }
    std::cout << "Creating a new Flyweight: " << key << std::endl;
    Flyweight* fw = new ConcreteFlyweight(key);
    m_listFlyweight.push_back(fw);
    return fw;
}

void ConcreteFlyweight::Operation(STATE& ExtrinsicState) {
    // 使用外部狀態執行操作
}

3. Main.cpp

#include "Flyweight.h"

int main() {
    FlyweightFactory factory;
    factory.GetFlyweight("hello"); // 建立新
    factory.GetFlyweight("world"); // 建立新
    factory.GetFlyweight("hello"); // 復用現有
    return 0;
}

效能與現代 C++ 優化

• 使用 std::unordered_map<Key, std::shared_ptr<Flyweight>> 替代 list，查找複雜度從 O(n) 降為 O(1)。
• 鍵值可設計為複合型別（如 struct FontKey { string family; int size; bool bold; }），需提供雜湊函數。
• 執行緒安全：GetFlyweight 需加鎖或使用無鎖資料結構。

適用場景

• 文字編輯器字元物件（每字元一物件會爆記憶體）。
• 圖形編輯器大量相同圖示/圖元。
• 遊戲粒子系統、地圖瓦片、資料庫連線池、執行緒池。