C# 設計模式：享元模式以共享物件解決大量細粒度物件記憶體壓力

編輯：關於C語言

問題背景

文書編輯器需顯示數萬字元、遊戲需渲染成千上萬樹木/子彈、報表系統產生海量格儲存格物件——若每個字元、樹木、格子都 new 一個獨立物件，記憶體將迅速耗盡。享元模式透過共享內部狀態、外部化可變狀態，以極少物件支撐龐大邏輯數量。

核心概念

術語	說明	範例（文書編輯器）
內部狀態	可共享、不隨環境改變	字元碼 'A'、字型家族
外部狀態	隨環境改變、不可共享	字元位置、字號、顏色、粗體
享元工廠	管理共享池、按鍵值取得/建立享元	字元碼 → CharacterFlyweight

類別結構

享元模式結構圖

完整實作：文字編輯器字元共享

1. 抽象享元介面

public abstract class CharacterFlyweight
{
    // 外部狀態由呼叫端傳入
    public abstract void Display(int position, string font, int size, ConsoleColor color);
}

2. 具體享元（共享物件）

public class ConcreteCharacter : CharacterFlyweight
{
    private readonly char _symbol; // 內部狀態：唯讀、可共享

    public ConcreteCharacter(char symbol) => _symbol = symbol;

    public override void Display(int position, string font, int size, ConsoleColor color)
    {
        Console.ForegroundColor = color;
        Console.WriteLine($"字元:'{_symbol}' 位置:{position} 字型:{font} 大小:{size} 顏色:{color}");
        Console.ResetColor();
    }
}

3. 享元工廠（共享池管理）

public class CharacterFactory
{
    private readonly Dictionary _pool = new();

    public CharacterFlyweight GetCharacter(char key)
    {
        if (!_pool.TryGetValue(key, out var flyweight))
        {
            flyweight = new ConcreteCharacter(key);
            _pool[key] = flyweight;
            Console.WriteLine($"[Factory] 建立新享元: '{key}'，池大小: {_pool.Count}");
        }
        return flyweight;
    }

    public int PoolSize => _pool.Count;
}

4. 客戶端使用

class Program
{
    static void Main()
    {
        var factory = new CharacterFactory();
        string text = "HELLO WORLD"; // 模擬文檔內容
        int pos = 0;

        foreach (char c in text)
        {
            if (c == ' ') { pos++; continue; } // 空白略過

            // 取得共享字元物件
            var flyweight = factory.GetCharacter(char.ToUpper(c));

            // 外部狀態：位置、字型、大小、顏色（這裡隨機示意）
            flyweight.Display(pos++, "Consolas", 12, (ConsoleColor)(pos % 16));
        }

        Console.WriteLine($"\n文檔長度: {text.Length}，實際物件數: {factory.PoolSize}");
        Console.ReadKey();
    }
}

執行結果示意

[Factory] 建立新享元: 'H'，池大小: 1
[Factory] 建立新享元: 'E'，池大小: 2
[Factory] 建立新享元: 'L'，池大小: 3
[Factory] 建立新享元: 'O'，池大小: 4
[Factory] 建立新享元: 'W'，池大小: 5
[Factory] 建立新享元: 'R'，池大小: 6
[Factory] 建立新享元: 'D'，池大小: 7

文檔長度: 11，實際物件數: 7

「HELLO WORLD」含 10 個非空白字元，但只有 7 個不重複字元，故僅建立 7 個物件即可服務所有顯示需求。

優缺點與適用場景

優點	缺點
✅ 大幅減少物件數量，降低記憶體占用 ✅ 內部狀態集中管理，易於維護	⚠️ 增加系統複雜度（需區分內/外部狀態） ⚠️ 執行時需查找/傳遞外部狀態，微增 CPU 開銷 ⚠️ 共享池本身佔用記憶體，物件數極少時得不償失