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外观

26. 享元模式

约 1679 字大约 6 分钟

2026-03-27

定义

享元模式（Flyweight），运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

人话：享元模式就像围棋下棋的过程。围棋棋盘上可以放很多棋子，一局棋下来可能有上百甚至更多的黑白棋子。

如果不用享元模式来设计，就相当于每下一颗棋子都 new 一个对象，每个对象里都包含颜色、位置等信息。这样一来，棋子越多，占用的内存就越大，这在软件中就属于对象数量过多、内存浪费严重。

而实际上，围棋棋子本质上只有两种：黑棋 和 白棋。也就是说，颜色是固定且可以共享的，并不需要为每一颗棋子都单独创建一个“黑棋对象”或“白棋对象”。

于是，使用享元模式之后，我们会这样设计：

  • 只创建 两个共享对象：黑棋对象、白棋对象（享元）
  • 每次落子时，不再创建新对象，而是复用已有的黑棋或白棋
  • 棋子的位置（比如“第几行第几列”）不存储在对象内部，而是在使用时作为参数传入

这样一来：

  • 颜色（黑/白）是内部状态 → 可以共享
  • 位置（坐标）是外部状态 → 由外部传入

比如：

  • 落一颗黑棋 → 使用“黑棋对象” + 位置(3,5)
  • 再落一颗黑棋 → 还是同一个“黑棋对象” + 不同位置(7,8)

在软件中也是一样：享元模式通过共享相同的内部状态对象，把变化的部分（外部状态）交给外部管理，从而大幅减少对象数量，降低内存开销，让系统在处理大量细粒度对象时更加高效。

PlantUML Diagram

享元模式（Flyweight）结构图

Flyweight类——抽象享元：

// Flyweight（抽象享元）
abstract class Flyweight
{
    // extrinsicState：外部状态
    public abstract void Operation(int extrinsicState);
}

ConcreteFlyweight类——具体享元（共享）：

// ConcreteFlyweight（具体享元）
class ConcreteFlyweight : Flyweight
{
    public override void Operation(int extrinsicState)
    {
        Console.WriteLine("具体 Flyweight：" + extrinsicState);
    }
}

UnsharedConcreteFlyweight类——不共享的享元：

// UnsharedConcreteFlyweight（不共享的享元）
class UnsharedConcreteFlyweight : Flyweight
{
    public override void Operation(int extrinsicState)
    {
        Console.WriteLine("不共享的具体 Flyweight：" + extrinsicState);
    }
}

FlyweightFactory类——享元工厂：

// FlyweightFactory（享元工厂）
class FlyweightFactory
{
    private Hashtable flyweights = new Hashtable();

    public FlyweightFactory()
    {
        // 初始化时创建一些实例
        flyweights.Add("X", new ConcreteFlyweight());
        flyweights.Add("Y", new ConcreteFlyweight());
        flyweights.Add("Z", new ConcreteFlyweight());
    }

    // 获取享元对象
    public Flyweight GetFlyweight(string key)
    {
        return (Flyweight)flyweights[key];
    }
}

客户端代码：

static void Main(string[] args)
{
    int extrinsicState = 22;

    FlyweightFactory f = new FlyweightFactory();

    Flyweight fx = f.GetFlyweight("X");
    fx.Operation(--extrinsicState);

    Flyweight fy = f.GetFlyweight("Y");
    fy.Operation(--extrinsicState);

    Flyweight fz = f.GetFlyweight("Z");
    fz.Operation(--extrinsicState);

    // 不共享的对象
    UnsharedConcreteFlyweight uf = new UnsharedConcreteFlyweight();
    uf.Operation(--extrinsicState);

    Console.Read();
}

运行结果：

具体 Flyweight：21
具体 Flyweight：20
具体 Flyweight：19
不共享的具体 Flyweight：18

  • FlyweightFactory 根据客户需求返回早已生成好的对象，但一定要事先生成对象实例吗？实际上是不一定需要的，完全可以初始化时什么也不做，到需要时，再去判断对象是否为 null 来决定是否实例化。

  • 为什么要有 UnsharedConcreteFlyweight 的存在呢？这是因为尽管我们大部分时间都需要共享对象来降低内存的损耗，但个别时候也有可能不需要共享的，那么此时的 UnsharedConcreteFlyweight 子类就有存在的必要了，它可以解决那些不需要共享对象的问题。

  • 在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的共享部分，可以称为是享元对象的内部状态，而随环境改变而改变的、不可以共享的状态就是外部状态了。事实上，享元模式可以避免大量非常相似类的开销。在程序设计中，有时需要生成大量细粒度的类实例来表示数据。如果能发现这些实例除了几个参数外基本上都是相同的，有时就能够受大幅度地减少需要实例化的类的数量。如果能把那些参数移到类实例的外面，在方法调用时将它们传递进来，就可以通过共享大幅度地减少单个实例的数目。也就是说，享元模式 Flyweight 执行时所需的状态是有内部的也可能有外部的，内部状态存储于 ConcreteFlyweight 对象之中，而外部对象则应该考虑由客户端对象存储或计算，当调用 Flyweight 对象的操作时，将该状态传递给它。

  • 如果一个应用程序使用了大量的对象，而大量的这些对象造成了很大的存储开销时就应该考虑使用；还有就是对象的大多数状态可以外部状态，如果删除对象的外部状态，那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象，此时可以考虑使用享元模式。

  • 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资源与性能损耗。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，是一个值得去思考的问题，享元模式，可以运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。不过，你也别高兴得太早，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列表，而这本身需要耗费资源，另外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。因此，应当在有足够多的对象实例可供共享时才值得使用享元模式。