.NET设计模式（13）：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：
public abstract class Charactor
{
//Fields
protected char _symbol;
protected int _width;
protected int _height;
protected int _ascent;
protected int _descent;
protected int _pointSize;
//Method
public abstract void Display();
}
// "CharactorA"
public class CharactorA : Charactor
{
// Constructor
public CharactorA()
{
this._symbol = 'A';
this._height = 100;
this._width = 120;
this._ascent = 70;
this._descent = 0;
this._pointSize = 12;
}
//Method
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}
// "CharactorB"
public class CharactorB : Charactor
{
// Constructor
public CharactorB()
{
this._symbol = 'B';
this._height = 100;
this._width = 140;
this._ascent = 72;
this._descent = 0;
this._pointSize = 10;
}
//Method
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}
// "CharactorC"
public class CharactorC : Charactor
{
// Constructor
public CharactorC()
{
this._symbol = 'C';
this._height = 100;
this._width = 160;
this._ascent = 74;
this._descent = 0;
this._pointSize = 14;
}
//Method
public override void Display()
{
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：
public abstract class Charactor
{
//Fields
protected char _symbol;
protected int _width;
protected int _height;
protected int _ascent;
protected int _descent;
//Method
public abstract void Display();
}
// "CharactorA"
public class CharactorA : Charactor
{
// Constructor
public CharactorA()
{
this._symbol = 'A';
this._height = 100;
this._width = 120;
this._ascent = 70;
this._descent = 0;
}
//Method
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}
// "CharactorB"
public class CharactorB : Charactor
{
// Constructor
public CharactorB()
{
this._symbol = 'B';
this._height = 100;
this._width = 140;
this._ascent = 72;
this._descent = 0;
}
//Method
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol);
}
}
// "CharactorC"
public class CharactorC : Charactor
{
// Constructor
public CharactorC()
{
this._symbol = 'C';
this._height = 100;
this._width = 160;
this._ascent = 74;
this._descent = 0;
}
//Method
public override void Display()
{
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：
public class CharactorFactory
{
// Fields
private Hashtable charactors = new Hashtable();
// Constructor
public CharactorFactory()
{
charactors.Add("A", new CharactorA());
charactors.Add("B", new CharactorB());
charactors.Add("C", new CharactorC());
}
// Method
public Charactor GetCharactor(string key)
{
Charactor charactor = charactors[key] as Charactor;
if (charactor == null)
{
switch (key)
{
case "A": charactor = new CharactorA(); break;
case "B": charactor = new CharactorB(); break;
case "C": charactor = new CharactorC(); break;
//
}
charactors.Add(key, charactor);
}
return charactor;
}
}
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：
{
public static void Main()
{
Charactor ca = new CharactorA();
Charactor cb = new CharactorB();
Charactor cc = new CharactorC();
//显示字符
//设置字符的大小ChangeSize();
}
public void ChangeSize()
{
//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：
public abstract class Charactor
{
//Fields
protected char _symbol;
protected int _width;
protected int _height;
protected int _ascent;
protected int _descent;
protected int _pointSize;
//Method
public abstract void SetPointSize(int size);
public abstract void Display();
}
// "CharactorA"
public class CharactorA : Charactor
{
// Constructor
public CharactorA()
{
this._symbol = 'A';
this._height = 100;
this._width = 120;
this._ascent = 70;
this._descent = 0;
}
//Method
public override void SetPointSize(int size)
{
this._pointSize = size;
}
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol +
"pointsize:" + this._pointSize);
}
}
// "CharactorB"
public class CharactorB : Charactor
{
// Constructor
public CharactorB()
{
this._symbol = 'B';
this._height = 100;
this._width = 140;
this._ascent = 72;
this._descent = 0;
}
//Method
public override void SetPointSize(int size)
{
this._pointSize = size;
}
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol +
"pointsize:" + this._pointSize);
}
}
// "CharactorC"
public class CharactorC : Charactor
{
// Constructor
public CharactorC()
{
this._symbol = 'C';
this._height = 100;
this._width = 160;
this._ascent = 74;
this._descent = 0;
}
//Method
public override void SetPointSize(int size)
{
this._pointSize = size;
}
public override void Display()
{
Console.WriteLine(this._symbol +
"pointsize:" + this._pointSize);
}
}
// "CharactorFactory"
public class CharactorFactory
{
// Fields
private Hashtable charactors = new Hashtable();
// Constructor
public CharactorFactory()
{
charactors.Add("A", new CharactorA());
charactors.Add("B", new CharactorB());
charactors.Add("C", new CharactorC());
}
// Method
public Charactor GetCharactor(string key)
{
Charactor charactor = charactors[key] as Charactor;
if (charactor == null)
{
switch (key)
{
case "A": charactor = new CharactorA(); break;
case "B": charactor = new CharactorB(); break;
case "C": charactor = new CharactorC(); break;
//
}
charactors.Add(key, charactor);
}
return charactor;
}
}
public class Program
{
public static void Main()
{
CharactorFactory factory = new CharactorFactory();
// Charactor "A"
CharactorA ca = (CharactorA)factory.GetCharactor("A");
ca.SetPointSize(12);
ca.Display();
// Charactor "B"
CharactorB cb = (CharactorB)factory.GetCharactor("B");
ca.SetPointSize(10);
ca.Display();
// Charactor "C"
CharactorC cc = (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：
public class CharactorFactory
{
// Fields
private Hashtable charactors = new Hashtable();
private CharactorFactory instance;
// Constructor
private CharactorFactory()
{
charactors.Add("A", new CharactorA());
charactors.Add("B", new CharactorB());
charactors.Add("C", new CharactorC());
}
// Property
public CharactorFactory Instance
{
get
{
if (instance != null)
{
instance = new CharactorFactory();
}
return instance;
}
}
// Method
public Charactor GetCharactor(string key)
{
Charactor charactor = charactors[key] as Charactor;
if (charactor == null)
{
switch (key)
{
case "A": charactor = new CharactorA(); break;
case "B": charactor = new CharactorB(); break;
case "C": charactor = new CharactorC(); break;
//
}
charactors.Add(key, charactor);
}
return charactor;
}
}
.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：
{
public static void Main(string[] args)
{
string s1 = "abcd";
string s2 = "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/