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C++ 享元模式与共享工厂模式详解

backend 2025/5/7 7:09:25

享元模式（Flyweight Pattern）是一种结构型设计模式，它通过共享技术来高效地支持大量细粒度对象的复用。共享工厂模式通常与享元模式结合使用，用于管理和共享享元对象。

享元模式概念解析

核心思想

共享对象：将可以共享的状态（内部状态）与不可共享的状态（外部状态）分离
减少内存：通过共享相同内部状态的对象来减少内存使用
提高性能：减少对象创建的开销

主要组成部分

享元（Flyweight）：包含可以被多个对象共享的内部状态
具体享元（Concrete Flyweight）：实现享元接口并存储内部状态
非共享具体享元（Unshared Concrete Flyweight）：不需要共享的实现
享元工厂（Flyweight Factory）：创建并管理享元对象，确保合理共享
客户端（Client）：维护外部状态并调用享元对象

共享工厂模式概念

共享工厂模式是享元模式的配套模式，负责：

集中管理：统一管理享元对象的创建和共享
缓存机制：维护已创建的享元对象池
按需提供：当请求享元对象时，优先返回已有对象

代码示例

下面是一个完整的享元模式与共享工厂模式示例，包含详细注释：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <memory>// ==================== 享元接口和实现 ====================// 棋子颜色（内部状态）
enum class ChessColor { BLACK, WHITE };// 棋子位置（外部状态）
struct Position {int x;int y;
};// 享元接口
class ChessPiece {
public:virtual void draw(const Position& position) = 0;virtual ~ChessPiece() = default;
};// 具体享元：棋子类型
class ConcreteChessPiece : public ChessPiece {
private:ChessColor color_;  // 内部状态（可共享）std::string name_;  // 内部状态（可共享）public:ConcreteChessPiece(ChessColor color, const std::string& name): color_(color), name_(name) {}void draw(const Position& position) override {std::cout << (color_ == ChessColor::BLACK ? "黑" : "白") << "色" << name_ << "放置在(" << position.x << "," << position.y << ")" << std::endl;}
};// ==================== 享元工厂 ====================class ChessPieceFactory {
private:std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<ChessPiece>> pieces_;// 生成唯一键std::string getKey(ChessColor color, const std::string& name) {return std::to_string(static_cast<int>(color)) + "_" + name;}public:ChessPieceFactory() {// 预初始化一些常用棋子getChessPiece(ChessColor::BLACK, "车");getChessPiece(ChessColor::BLACK, "马");getChessPiece(ChessColor::WHITE, "车");getChessPiece(ChessColor::WHITE, "马");}std::shared_ptr<ChessPiece> getChessPiece(ChessColor color, const std::string& name) {std::string key = getKey(color, name);// 检查是否已存在auto it = pieces_.find(key);if (it != pieces_.end()) {std::cout << "复用已有棋子: " << key << std::endl;return it->second;}// 创建新棋子并加入池中std::cout << "创建新棋子: " << key << std::endl;auto piece = std::make_shared<ConcreteChessPiece>(color, name);pieces_[key] = piece;return piece;}void listPieces() const {std::cout << "\n当前棋子池中有 " << pieces_.size() << " 种棋子:" << std::endl;for (const auto& pair : pieces_) {std::cout << "- " << pair.first << std::endl;}}
};// ==================== 棋盘类（使用享元）====================class ChessBoard {
private:ChessPieceFactory& factory_;std::vector<std::pair<std::shared_ptr<ChessPiece>, Position>> pieces_;public:ChessBoard(ChessPieceFactory& factory) : factory_(factory) {}void placePiece(ChessColor color, const std::string& name, int x, int y) {auto piece = factory_.getChessPiece(color, name);pieces_.emplace_back(piece, Position{x, y});}void draw() {std::cout << "\n当前棋盘状态:" << std::endl;for (const auto& entry : pieces_) {entry.first->draw(entry.second);}}
};// ==================== 客户端代码 ====================int main() {std::cout << "=== 享元模式与共享工厂演示 ===" << std::endl;// 创建享元工厂（共享）ChessPieceFactory factory;// 创建两个棋盘（共享同一个工厂）ChessBoard board1(factory);ChessBoard board2(factory);// 在第一个棋盘上放置棋子board1.placePiece(ChessColor::BLACK, "车", 0, 0);board1.placePiece(ChessColor::BLACK, "马", 0, 1);board1.placePiece(ChessColor::WHITE, "车", 7, 7);board1.placePiece(ChessColor::WHITE, "马", 7, 6);// 在第二个棋盘上放置棋子（会复用部分棋子对象）board2.placePiece(ChessColor::BLACK, "车", 0, 0);board2.placePiece(ChessColor::WHITE, "马", 7, 6);board2.placePiece(ChessColor::BLACK, "象", 0, 2); // 新棋子类型board2.placePiece(ChessColor::WHITE, "后", 7, 3);  // 新棋子类型// 显示工厂中的棋子情况factory.listPieces();// 显示两个棋盘状态board1.draw();board2.draw();return 0;
}