定義

運(yùn)用共享技術(shù)有效地支持大量細(xì)粒度的對(duì)象。

適用場(chǎng)景

例如，數(shù)據(jù)庫(kù)連接，線程的創(chuàng)建開銷都比較大，并且創(chuàng)建頻率也非常高，因此就需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)連接池技術(shù)和線程池技術(shù)來(lái)共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接和線程。再例如，應(yīng)用系統(tǒng)中通常存在最多的就是字符串，并且往往會(huì)大量重復(fù)，如果每次都創(chuàng)建新的字符串，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出、GC阻塞等性能問(wèn)題，因此也就有了字符串駐留池技術(shù)。應(yīng)用場(chǎng)景雖然天差地別，但是無(wú)論哪一種場(chǎng)景，往往都會(huì)具備如下兩個(gè)特點(diǎn)：

• 系統(tǒng)會(huì)用到大量相同或相似的對(duì)象；
• 對(duì)象創(chuàng)建比較耗時(shí)。

目的

而享元模式正是為了應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，并達(dá)到如下兩個(gè)目的而存在的：

• 減少創(chuàng)建對(duì)象的數(shù)量；
• 對(duì)象全局共享。

示例

其實(shí)，說(shuō)到享元模式，我們最先應(yīng)該提到的就是活字印刷術(shù)，因?yàn)樗褪窍碓Ｊ皆谏钪械囊环N最佳實(shí)踐。我們知道，出版一本哪怕百萬(wàn)字的著作，其實(shí)常用漢字也不過(guò)三千多個(gè)，這其中會(huì)有大量重復(fù)。傳統(tǒng)的雕版印刷，每次印刷都需要先花大量的時(shí)間刻雕版，并且還不能重復(fù)使用，但是活字印刷就將共享和復(fù)用的特點(diǎn)發(fā)揮到了極致，省去了大量的時(shí)間。

其實(shí)，這種例子生活中并不罕見(jiàn)，例如，圖書館借書，共享單車，共享雨傘，共享馬扎等哪個(gè)不是享元模式思想的體現(xiàn)？因?yàn)橄碓Ｊ降暮诵乃枷胝?strong>共享。

我們下面還是以活字印刷舉例，通過(guò)代碼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)印刷HELLO WORLD的例子加以說(shuō)明。

模式演進(jìn)

首先，我們先把字模刻出來(lái)：

public abstract class Typeface
{
    public abstract string Print();
}

public class DTypeface : Typeface
{
    public override string Print()
    {
        return "D";
    }
}

public class ETypeface : Typeface
{
    public override string Print()
    {
        return "E";
    }
}

...

上面是簡(jiǎn)單的示意，其他字母以此類推，表示一個(gè)個(gè)的字模。通過(guò)這些字模我們就可以印刷出版了。

static void Main(string[] args)
{
    Typeface h = new HTypeface();
    Typeface e = new ETypeface();
    Typeface l = new LTypeface();
    Typeface o = new OTypeface();
    Typeface w = new WTypeface();
    Typeface r = new RTypeface();
    Typeface d = new DTypeface();

    Console.WriteLine($"{h.Print()}{e.Print()}{l.Print()}{l.Print()}{o.Print()} {w.Print()}{o.Print()}{r.Print()}{l.Print()}{d.Print()}");
}

但是很遺憾，雖然印刷成功了，但是這些字模并不能全局共享，說(shuō)到底還是一次性的，換一個(gè)地方還得重新創(chuàng)建一次。不過(guò)說(shuō)到全局共享，我們前面好像就有一種模式可以辦到，沒(méi)錯(cuò)，就是單例模式。我們不妨先用單例模式試試看：

public class ETypeface : Typeface
{
    private static readonly Typeface _instance = new ETypeface();

    private ETypeface() { }

    public static Typeface Instance => _instance;

    public override string Print()
    {
        return "E";
    }
}

將每個(gè)字模都實(shí)現(xiàn)成如上所示的單例，再看看調(diào)用的地方：

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"{HTypeface.Instance.Print()}" +
        $"{ETypeface.Instance.Print()}{LTypeface.Instance.Print()}" +
        $"{LTypeface.Instance.Print()}{OTypeface.Instance.Print()}");
}

印刷成功了，并且也全局共享了。不過(guò)中國(guó)漢字何其多，全部實(shí)現(xiàn)成單例，類爆炸了，一個(gè)系統(tǒng)中成千上萬(wàn)個(gè)單例，想想都可怕。不過(guò)好在處理類爆炸我們是有經(jīng)驗(yàn)的，沒(méi)錯(cuò)，就是合并：

public class TypefaceFactory
{
    private static readonly Typeface _h = new HTypeface();
    private static readonly Typeface _e = new ETypeface();
    private static readonly Typeface _l = new LTypeface();
    private static readonly Typeface _o = new OTypeface();

    public static Typeface H => _h;
    public static Typeface E => _e;
    public static Typeface L => _l;
    public static Typeface O => _o;
}

我們額外定義一個(gè)類，把所有單例字模都合并進(jìn)去，不過(guò)我們這時(shí)靜態(tài)屬性如果還叫Instance就命名沖突了，直接以字母命名好了，這樣我們就把所有單例都消滅了。雖然有所改善，不過(guò)字模太多的問(wèn)題依然嚴(yán)峻，因?yàn)檫@個(gè)類中會(huì)封裝成千上萬(wàn)的字模，并且隨時(shí)可能更改，這導(dǎo)致這個(gè)類極不穩(wěn)定。不過(guò)好在所有字模都繼承自同一個(gè)基類，因此，我們可以用一個(gè)字典存儲(chǔ)，并且通過(guò)一個(gè)靜態(tài)方法獲取字模：

public class TypefaceFactory
{
    private static readonly IDictionary<Type, Typeface> _typefaces 
        = new Dictionary<Type, Typeface>();

    public static Typeface GetTypeface<TTypeface>() where TTypeface : Typeface
    {
        Type type = typeof(TTypeface);
        if (_typefaces.ContainsKey(type))
        {
            return _typefaces[type];
        }

        Typeface typeface = Activator.CreateInstance(typeof(TTypeface)) as Typeface;
        _typefaces.Add(type, typeface);
        return typeface;
    }
}

這樣的話就好多了，可以管理大量細(xì)粒度的對(duì)象，并且也可以全局共享了，滿足了我們的需求，不知大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，這里非常像簡(jiǎn)單工廠模式，只不過(guò)這里用到了一個(gè)靜態(tài)字典做緩存，并非每次都全新創(chuàng)建對(duì)象，其實(shí)這就是享元模式。

UML類圖

再來(lái)抽象一下，看看享元模式的類圖：

• FlyweightFactory：享元工廠，用來(lái)創(chuàng)建并管理Flyweight對(duì)象
• Flyweight：享元類的基類或接口
• ConcreteFlyweight：具體的Flyweight子類
• UnsharedConcreteFlyweight：不需要共享的Flyweight子類

在本例中，UnsharedConcreteFlyweight并沒(méi)有用到，但是作為享元模式中的一個(gè)角色確實(shí)是存在的，只是不可共享而已。例如，字模中有規(guī)范漢字，也有非規(guī)范漢字，但是出版刊物必須使用規(guī)范漢字，而不能使用非規(guī)范漢字。不過(guò)，我們軟件開發(fā)中會(huì)較少用到，因?yàn)?，既然用不到，就沒(méi)必要去實(shí)現(xiàn)了。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

• 節(jié)省內(nèi)存空間，因?yàn)槿止蚕硪粋€(gè)或者少數(shù)幾個(gè)對(duì)象而已；
• 提高效率，因?yàn)椴挥妹看味歼M(jìn)行費(fèi)時(shí)的初始化操作。

缺點(diǎn)

增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，其實(shí)我們通過(guò)線程池和數(shù)據(jù)庫(kù)連接池就不難發(fā)現(xiàn)，確實(shí)復(fù)雜了很多。

改進(jìn)

其實(shí)，到這里我們并沒(méi)有結(jié)束，如果還記得單例模式的話，我們知道這種實(shí)現(xiàn)是存在并發(fā)問(wèn)題的，沒(méi)錯(cuò)，既然同樣是用靜態(tài)字段做共享，那么這里同樣存在這并發(fā)問(wèn)題，不過(guò)這里并發(fā)的是一個(gè)代碼段，而不是簡(jiǎn)單的一個(gè)字段，因此就不能簡(jiǎn)單的通過(guò)Lazy關(guān)鍵字解決了，這里必須使用雙檢鎖：

public class TypefaceFactory
{
    private static readonly IDictionary<Type, Typeface> _typefaces 
        = new Dictionary<Type, Typeface>();

    private static readonly object _locker = new object();
    public static Typeface GetTypeface<TTypeface>() where TTypeface : Typeface
    {
        Type type = typeof(TTypeface);
        if (!_typefaces.ContainsKey(type))
        {
            lock (_locker)
            {
                if (!_typefaces.ContainsKey(type))
                {
                    Typeface typeface = Activator.CreateInstance(typeof(TTypeface)) as Typeface;
                    _typefaces.Add(type, typeface);
                }
            }
        }

        return _typefaces[type];
    }
}

好了，這次完美了。

不過(guò)呢，不知大家有沒(méi)有疑惑，從上面演進(jìn)步驟看，享元模式好像是單例模式和簡(jiǎn)單工廠模式的綜合運(yùn)用，為什么享元模式會(huì)歸類到結(jié)構(gòu)型模式而不是創(chuàng)建型模式呢？其實(shí)，原因很簡(jiǎn)單，從表面上看，好像享元模式的享元工廠也在負(fù)責(zé)創(chuàng)建對(duì)象，但實(shí)際上，享元模式最主要的目的是對(duì)象的管理而不是創(chuàng)建，例如，我們還可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)享元模式：

public class TypefaceFactory
{
    private static readonly IDictionary<string, Typeface> _typefaces
        = new Dictionary<string, Typeface>();


    private static readonly object _locker = new object();

    public static void SetTypeface(string key, Typeface typeface)
    {
        if (!_typefaces.ContainsKey(key))
        {
            lock (_locker)
            {
                if (!_typefaces.ContainsKey(key))
                {
                    _typefaces.Add(key, typeface);
                }
            }
        }
    }

    public static Typeface GetTypeface(string key)
    {
        if (_typefaces.ContainsKey(key))
        {
            return _typefaces[key];
        }

        return null;
    }
}

看到了嗎？這里就把對(duì)象的創(chuàng)建交給了客戶端完成，而享元工廠只負(fù)責(zé)對(duì)象的管理，并不負(fù)責(zé)對(duì)象創(chuàng)建了。

與單例模式的區(qū)別

• 享元模式是共享大量類的大量實(shí)例，而單例是一個(gè)類一個(gè)實(shí)例；
• 單例模式針對(duì)的是對(duì)象的創(chuàng)建，而享元模式針對(duì)的是對(duì)象的管理；
• 單例模式不能單獨(dú)創(chuàng)建，而享元模式中的類可以單獨(dú)創(chuàng)建。

實(shí)際上，享元模式也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式。

與簡(jiǎn)單工廠模式的區(qū)別

• 享元模式在簡(jiǎn)單工廠模式的基礎(chǔ)上加入了緩存；
• 簡(jiǎn)單工廠模式的作用僅僅是創(chuàng)建對(duì)象，而享元模式雖然也創(chuàng)建對(duì)象，但其主要作用是管理和共享對(duì)象。

總結(jié)

享元模式實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常靈活，它更重要體現(xiàn)的是一種思想，它不僅在生活中被廣泛運(yùn)用，在軟件開發(fā)過(guò)程中也被廣泛運(yùn)用。不妨把上述享元工廠再換一個(gè)場(chǎng)景，例如把靜態(tài)字典換成Redis，再把GetTypeface方法換成高并發(fā)環(huán)境下的查詢接口，再去看看執(zhí)行流程。發(fā)現(xiàn)了吧？就是我們每天都在寫的代碼。
用心發(fā)現(xiàn)，享元模式真的是無(wú)處不在！

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