设计模式（三）-结构型模式（6）-享元模式

一、为何需要享元模式（Flyweight）?

假如在网页中渲染这样的一个画面：大小不一的星星铺满了整个画布，并且都在不断的进行移动闪烁着。一批星星消失了，另一批又从另一边缘处出现。

要实现这样的渲染效果，在程序中就得需要创建这些星星，然后将它们一个个画上去。

有个问题就是，如果我们还得按照平常创建对象的方式，对每一颗出现的星星都创建一遍。一旦星星从画布上消失，就销毁并释放内存。这么做的话，系统就得要开销大量的内存空间，而且频繁进行创建销毁的操作会影响程序运行的性能。到最后我们只能看到这样的效果：一打开网页后，画布上的那些星星隔了一段时间才全部出现，滚动网页也不流畅。

为了解决“隔了一段时间才全部出现”和“滚动网页也不流畅”的问题（因为存储大量对象而导致开销大量内存、频繁创建销毁对象而导致程序的性能下降），我们就应该尽可能少的生成那些存在相同状态的星星。

其实在繁星点点的夜空中，总会有很多相似或者相同的星星存在着。因此我们可以只创建一颗星星作为一个共享对象，来代表这些与之相似的同类星星。在渲染的时候，只对这个共享对象重复的画上去就行了。

享元模式的定义：运用共享技术有效的支持大量细粒度的对象。

从以上的定义，我们先分析“享元”和”细粒度“这两个关键词。

• 享元即共享元对象。元这个词，就好比数据库表中的一组若干个元数据，元数据是数据的最小单位。所以元对象的意思也就是，一组同类对象中的每一个元对象。既然这些同类对象都是相同状态的对象，我们只需要创建一个共享元对象来代表它们。
• 细粒度如颗粒大小一样，即这个对象并不庞大而复杂。所以享元对象就应当是结构简单的对象。

但是我们怎么区分对象之间是否存在相同状态，然后将他们归类为某一组同类对象呢。于是可以对这些对象内的某个属性作为唯一标识，来判断是否为同类对象。比如星星，唯一标识可以是星星的半径值，也可以是速度值等。在这里我们选择的是以半径作为唯一标识。如图所示：
（在享元对象容器，每一个享元对象之间的半径值不相同，都代表着各自一组与自己半径相同的星星。）

享元对象是有了，但是我们编程中，起码也要保证唯一标识的半径值，是不能因为程序的变化而变化吧，即对象的外部不能对半径进行修改。这时候就有了外部状态和内部状态的区别。

外部状态： 存在于享元对象的外部。因环境变化而变化。（环境变化即客户端发生的状态变化）
内部状态： 存在于享元对象的内部。不能因环境变化而变化。

• 外部状态是客户端进行的活动变化，比如为星星的位置进行随机布局，控制星星消失和出现的个数等等。

• 内部状态是对象固有的状态，即一颗半径大小为4的星星，半径大小是固有的，客户端把它画上去时，不能强行使它变大变小。要保持内部状态，对象内的所有属性和状态都应当被保护起来，如对象内的所有字段都被设置为私有的访问机制。

特点：

• 减少创建对象的数量，使用享元对象来代表一组同类对象。

结构：
抽象享元（Flyweight）：具体享元类的基类。规定了具体享元要实现的方法,，也可以接受并作用于外部状态。（接受并作用于：传外部状态的参数到该方法内，以处理外部状态，但不改变享元内部状态。）
具体享元类（ConcreteFlyweight）：实现抽象享元的方法。如果存在内部状态（即在享元容器里没有存在该享元时，就实例化一个），则增加存储空间。
享元工厂类（FlyweightFactory）：创建和管理享元对象。
客户端类（Client）：所有享元对象的引用，并存储对应的外部状态。（引用：把星星画上去；存储外部状态：存储星星的位置和出现的个数等）

适合应用场景特点：

• 需要大量细粒度的对象，来完成某个功能。
• 大量对象有存在着相同的状态。
• 实际例子：线程池中的共享线程，解决频繁创建销毁线程的问题，字符串常量池中的共享字符串，解决重复创建存在值相同的字符串的问题…

二、例子

需求：

在视频剪辑中，用户想要在画布上实现满天星的效果，就做了如下参数的设置：
1）星星的总数为1000000，并且这些星星的大小和个数都是随机的；
2）星星的半径大小在 1~10 范围；
3）勾选默认星星的速度、闪烁频率、亮度都跟半径的大小有关，所以不用用户来自定义这些参数的值。

设计分析：

• 以半径作为唯一标识，一个享元对象对应一组半径相同的对象。
• 享元对象最多有 10 个。需要渲染的对象有1000000 个。

1、定义抽象享元和具体享元类

    //Flyweight：抽象享元（星星抽象）
    public interface IStar
    {
        void draw();
    }

    //ConcreteFlyweight：具体享元类（星星）
    public class Star:IStar
    {
        private int Radius;
        private double Brightness;
        private double Twinkle;
        private double Speed;

        public Star(int radius)
        {
            Radius = radius;
            //Brightness = ...;
            //Twinkle = ...;
            //Speed = ...; 
        }

        //1、args：外部状态可作为参数传入，但不能改变 Star 的内部状态
        public void draw(/*args：若有外部实例传入*/)
        {
            //处理一些与外部有关的逻辑...
            //外部参数不能改变 Star 类的所有属性值和其他内部状态
        }

        //2、如果该方法在客户端进行调用，而不是在享元工厂创建 Star 类的享元对象时调用：
        //那么该方法的内部逻辑是错误的，是因为不能通过外部 val 改变 Brightness 值。
        public void setBrightness(double val)
        {
            Brightness = val;
        }
    }

2、定义享元工厂类

    //FlyweightFactory：享元工厂类（创建和管理享元对象）
    public class FlyweightFactory
    {
        //享元对象的容器
        private Dictionary<int, IStar> StarsDict = new Dictionary<int, IStar>();
        //创建和获取享元对象，radius 为标识享元对象的参数。
        public IStar getStar(int radius)
        {
            IStar star = null;
            //在容器中是否存在跟 radius 值相同的对象
            StarsDict.TryGetValue(radius,out star);

            if(star == null)//若不存在，则创建一个享元并存入到容器里
            {
                star = new Star(radius);
                StarsDict.Add(radius,star);
            }

            return star;
        }
    }

3、主程序

//主程序
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Random random = new Random(10);

            //享元模式-----------------
            FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                //随机生成半径大小为1~10范围的星星。
                var star = factory.getStar(random.Next(1, 10));
                star.draw();//对外部状态的影响
            }
            //-------------------------

            //非享元模式----------------
            List<IStar> starList = new List<IStar>();
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                //创建了 1000000 个对象，执行整个循环的时间久。
                var star = new Star(random.Next(1, 10));
                starList.Add(star);
                star.draw();
            }
            //--------------------------

            //验证非享元模式和享元模式，在当前程序里使用内存大小的情况：
            var process = Process.GetCurrentProcess();
            var memorySize = process.PrivateMemorySize64 / (1024 * 1024);//单位为 M.
            Console.WriteLine(memorySize);

            //某次运行验证的结果：
            //享元模式，内存占用：17M；非享元模式，内存占用：60M；
            
            Console.ReadLine();
        }
    }