享元模式 | 大話設計模式

引子：項目多也別傻做#

小菜接了私營業主的小型外包：產品展示網站、博客、新聞發布等等。每來一位客戶就租一個虛擬空間、複製一份程式碼。

100 家企業 = 100 個空間 + 100 套資料庫 + 100 份重複程式碼。
任何 Bug 修正或需求變更，維護量等比放大。

解法：把這些網站的核心程式碼共享，透過 ID 區分不同用戶——大型博客或電商平台都是這麼做的。

享元模式#

享元模式（Flyweight Pattern）：運用共享技術有效地支援大量細粒度的物件。

當系統有大量相似物件時，把多個物件共用的部分抽取出來，形成共享物件，可以大幅減少實例數量、節約記憶體。

結構#

Flyweight：所有具體享元類的超類或介面，可接受並作用於外部狀態
ConcreteFlyweight：實作 Flyweight 介面，並為內部狀態增加儲存空間
UnsharedConcreteFlyweight：那些不需要共享的 Flyweight 子類；介面共享是可能但不強制
FlyweightFactory（享元工廠）：建立並管理 Flyweight 物件，確保合理共享。當客戶請求一個 Flyweight 時，提供已有的實例或新建一個

classDiagram
    class FlyweightFactory {
        -Hashtable flyweights
        +GetFlyweight(key) Flyweight
    }
    class Flyweight {
        <<abstract>>
        +Operation(extrinsicstate)*
    }
    class ConcreteFlyweight
    class UnsharedConcreteFlyweight
    class Client
    Client --> FlyweightFactory
    Client ..> UnsharedConcreteFlyweight
    FlyweightFactory o--> Flyweight
    Flyweight <|-- ConcreteFlyweight
    Flyweight <|-- UnsharedConcreteFlyweight

abstract class Flyweight
{
    public abstract void Operation(int extrinsicstate);
}

class ConcreteFlyweight : Flyweight
{
    public override void Operation(int extrinsicstate)
        => Console.WriteLine("具體 Flyweight：" + extrinsicstate);
}

class FlyweightFactory
{
    private Hashtable flyweights = new Hashtable();

    public Flyweight GetFlyweight(string key)
    {
        if (!flyweights.ContainsKey(key))
            flyweights.Add(key, new ConcreteFlyweight());
        return (Flyweight)flyweights[key];
    }
}

內部狀態 vs. 外部狀態#

內部狀態（Intrinsic State）：在享元物件內部、不會隨環境改變的共享部分。儲存在 ConcreteFlyweight 物件中
外部狀態（Extrinsic State）：隨環境改變、不可共享的狀態。應由客戶端對象儲存或計算，呼叫 Flyweight 操作時將該狀態傳入

享元模式可以避免大量非常相似類的開銷——把相同部分共享、不同部分外部化。

範例：共享網站程式碼#

public class User
{
    public string Name { get; }
    public User(string name) { Name = name; }
}

abstract class WebSite
{
    public abstract void Use(User user);
}

class ConcreteWebSite : WebSite
{
    private string name;
    public ConcreteWebSite(string name) { this.name = name; }
    public override void Use(User user)
        => Console.WriteLine($"網站分類：{name} 用戶：{user.Name}");
}

class WebSiteFactory
{
    private Hashtable flyweights = new Hashtable();

    public WebSite GetWebSiteCategory(string key)
    {
        if (!flyweights.ContainsKey(key))
            flyweights.Add(key, new ConcreteWebSite(key));
        return (WebSite)flyweights[key];
    }

    public int GetWebSiteCount() => flyweights.Count;
}

客戶端：

WebSiteFactory f = new WebSiteFactory();

WebSite fx = f.GetWebSiteCategory("產品展示");  fx.Use(new User("小菜"));
WebSite fy = f.GetWebSiteCategory("產品展示");  fy.Use(new User("大鳥"));
WebSite fz = f.GetWebSiteCategory("產品展示");  fz.Use(new User("嬌嬌"));
WebSite fl = f.GetWebSiteCategory("博客");      fl.Use(new User("老瑞童"));
WebSite fm = f.GetWebSiteCategory("博客");      fm.Use(new User("桃谷六仙"));
WebSite fn = f.GetWebSiteCategory("博客");      fn.Use(new User("南海鱷神"));

Console.WriteLine($"網站分類總數為 {f.GetWebSiteCount()}");
// 輸出：網站分類總數為 2

6 個用戶共享 2 個網站實例。內部狀態（網站分類）共享，外部狀態（用戶）由客戶端傳入。

.NET 中的享元#

.NET 的 string 就是享元模式的應用：
string titleA = "大話設計模式";
string titleB = "大話設計模式";
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(titleA, titleB));  // True
第一次建立 titleA 時 .NET 已將字串放入字串駐留池（intern pool）；建立 titleB 時直接指向同一實例，不重複佔用記憶體。

棋類遊戲的享元#

圍棋、五子棋、跳棋有大量棋子物件：

內部狀態：顏色（圍棋、五子棋只有黑白；跳棋顏色不多）
外部狀態：方位座標

一盤圍棋理論上有 361 個位置。常規寫法每盤可能有兩三百個棋子物件，伺服器很難支撐多人對局。
用享元模式後，棋子物件可以減少到只有兩個實例，記憶體開銷大幅降低。

何時使用？#

應用程式使用了大量物件，且造成很大儲存開銷
物件的大多數狀態可以外部化——刪除外部狀態後，可用相對較少的共享物件取代很多組物件

缺點#

需要維護一個記錄系統已有享元的列表，本身耗費資源
享元模式使系統更複雜：需要將狀態外部化，會讓邏輯複雜化
應當在有足夠多的對象實例可供共享時才值得使用享元模式。

兩三個個人博客網站不必考慮享元；要做開放註冊的博客平台，享元就是非常好的選擇。