设计模式Python版 享元模式

前言

GOF设计模式分三大类：

• 创建型模式：关注对象的创建过程，包括单例模式、简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、原型模式和建造者模式。
• 结构型模式：关注类和对象之间的组合，包括适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰模式、外观模式、享元模式和代理模式。
• 行为型模式：关注对象之间的交互，包括职责链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式和访问者模式。

一、享元模式

享元模式（Flyweight Pattern）

• 定义：运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象，而这些对象都很相似，状态变化很小，可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象，因此它又称为轻量级模式。

• 解决问题：如何实现对象的多次复用以节省系统资源？

• 使用场景：

  • 一个系统有大量相同或者相似的对象，造成内存的大量耗费。
  • 对象的大部分状态都可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中。
  • 在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池，而这需要耗费一定的系统资源。因此，在需要多次重复使用同一享元对象时才值得使用享元模式。

• 组成：

  • Flyweight（抽象享元类）：通常是一个接口或抽象类，在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法
  • ConcreteFlyweight（具体享元类）：它实现了抽象享元类，其实例称为享元对象。可以结合单例模式来设计具体享元类。
  • UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元类）：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类。
  • FlyweightFactory（享元工厂类）：享元工厂类用于创建并管理享元对象，它针对抽象享元类编程，将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中。

• 补充说明：

  • 在计算机内存中存储了多个完全相同或者非常相似的对象。利用享元模式，节约内存使用空间，实现对这些相同或者相似对象的共享访问。
  • 享元模式通过共享技术实现相同或相似对象的重用。享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用。
  • 享元模式中，存储这些共享实例对象的地方称为享元池（Flyweight Pool）。享元池一般设计为一个存储“键值对”的集合，可以结合工厂模式进行设计。
  • 享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态（Intrinsic State）和外部状态（Extrinsic State）。
    • 内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态，内部状态可以共享。
    • 外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。
  • 在享元模式中引入了享元工厂类。享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池。当用户需要对象时，首先从享元池中获取，如果享元池中不存在，则创建一个新的享元对象返回给用户，并在享元池中保存该新增对象。
  • 享元模式的使用频率并不高

• 优点：

  • 实现节约内存进而提高系统性能
  • 享元模式的外部状态相对独立，而且不会影响其内部状态，从而使得享元对象可以在不同的环境中被共享。

• 缺点：

  • 享元模式需要分离出内部状态和外部状态，从而使得系统变得复杂
  • 为了使对象可以共享，享元模式需要将享元对象的部分状态外部化，而读取外部状态将使得运行时间变长。

二、享元模式示例

使用享元模式来设计围棋软件的棋子对象

• 围棋棋盘中包含大量的黑子和白子，它们的形状、大小都一模一样，只是出现的位置不同而已。
• IgoChessman充当抽象享元类，BlackIgoChessman和WhiteIgoChessman充当具体享元类，IgoChessmanFactory充当享元工厂类。带外部状态Coordinates坐标类，用于存储每一个棋子的位置。
• 享元工厂类，使用单例模式

"""外部状态类：坐标"""


class Coordinates:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y


"""抽象享元类"""


class IgoChessman:
    def get_color(self) -> str:
        raise NotImplementedError

    def display(self, coord: Coordinates):
        print(f"棋子颜色：{self.get_color()}，棋子位置：{coord.x,coord.y}")


"""具体享元类"""


class BlackIgoChessman(IgoChessman):
    def get_color(self):
        return "黑色"


class WhiteIgoChessman(IgoChessman):
    def get_color(self):
        return "白色"


"""享元工厂：使用单例模式"""


class IgoChessmanFactory:
    def __init__(self):
        self.pool = {}  # 享元池
        self.black = BlackIgoChessman()
        self.white = WhiteIgoChessman()
        self.pool["b"] = self.black
        self.pool["w"] = self.white

    def get_igo_chessman(self, color) -> IgoChessman:
        # 通过key获取享元池中的享元对象
        return self.pool.get(color, None)


factory = IgoChessmanFactory()

• 客户端代码

# 客户端代码
from flyweights import factory, Coordinates


black1 = factory.get_igo_chessman("b")
black2 = factory.get_igo_chessman("b")
black3 = factory.get_igo_chessman("b")
print(f"判断两颗黑子是否相同：{black1==black2}")

white1 = factory.get_igo_chessman("w")
white2 = factory.get_igo_chessman("w")
print(f"判断两颗白子是否相同：{white1==white2}")

black1.display(Coordinates(1, 2))
black2.display(Coordinates(3, 4))
black3.display(Coordinates(1, 3))
white1.display(Coordinates(2, 5))
white2.display(Coordinates(2, 4))

• 输出结果

判断两颗黑子是否相同：True
判断两颗白子是否相同：True
棋子颜色：黑色，棋子位置：(1, 2)
棋子颜色：黑色，棋子位置：(3, 4)
棋子颜色：黑色，棋子位置：(1, 3)
棋子颜色：白色，棋子位置：(2, 5)
棋子颜色：白色，棋子位置：(2, 4)

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