享元模式详解与示例

意图与它要解决的问题

意图：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。该模式出自《设计模式》（四人组，GoF）一书，属于结构型模式。

设想一张要绘制一百万棵树的地图。每棵树有位置 (x, y) 和类型：物种名称、颜色，以及几 KB 大小的纹理图像。如果每个树对象都持有自己的一份纹理副本，内存用量会随着树的数量增长，程序可能因此耗尽内存。然而物种其实只有寥寥几种。每棵橡树的纹理、名称和颜色都是一样的。

享元把重复的数据移到少数几个共享对象中。一棵树就只需保存它的位置，加上对共享树类型的引用。一百万棵树、五个物种，只需要五份纹理，而不是一百万份。

内部状态与外部状态

关键的一步，是把每个对象的数据分成两类：

因为享元是共享的，所以它必须是不可变的。如果某个客户端能改动共享的橡树类型的颜色，地图上的每一棵橡树都会随之改变。

结构与参与者

TypeScript 实现

工厂使用以内部状态的值为键的 Map。TreeType 是享元，Tree 是上下文，Forest 是客户端。

class TreeType {
  constructor(
    readonly name: string,
    readonly color: string,
    readonly texture: Uint8Array, // large, shared data
  ) {}
  draw(x: number, y: number): string {
    return this.name + " (" + this.color + ") at " + x + "," + y;
  }
}
class TreeTypeFactory {
  private static cache = new Map<string, TreeType>();
  static get(name: string, color: string): TreeType {
    const key = name + "|" + color;
    let type = this.cache.get(key);
    if (!type) {
      type = new TreeType(name, color, new Uint8Array(4096));
      this.cache.set(key, type);
    }
    return type;
  }
}
class Tree {
  constructor(readonly x: number, readonly y: number, readonly type: TreeType) {}
  draw(): string {
    return this.type.draw(this.x, this.y);
  }
}
const forest: Tree[] = [];
for (let i = 0; i < 100_000; i++) {
  const [name, color] = i % 2 === 0 ? ["Oak", "green"] : ["Birch", "white"];
  forest.push(new Tree(i, i * 2, TreeTypeFactory.get(name, color)));
}
const types = new Set(forest.map((t) => t.type));
console.log(forest.length, "trees,", types.size, "tree types");
console.log(forest[3].draw());
// 100000 trees, 2 tree types
// Birch (white) at 3,6

没有工厂的话，程序会分配 100,000 个纹理缓冲区。有了工厂，只有两个。Tree 对象依然存在，但每个只保存两个数字和一个引用。

何时使用，何时不用

当以下条件全部成立时，适合使用享元：

• 程序创建了极大量的相似对象。
• 内存占用是经过测量的实际问题，而不是猜测。
• 每个对象的大部分状态都可以变成外部状态或共享状态。
• 程序不依赖对象的身份（两个使用同一享元的上下文可以共享它）。

如果对象数量很少、对象需要各自独立修改共享数据，或者传递外部状态带来的复杂性让代码比节省的内存更难读，就应避免使用。很多时候更简单的办法就够了：把数据存放在并行数组或类型化数组中，或者用 Map 对重复的字符串做驻留（intern）。

取舍：享元用 CPU 时间换取内存。每次调用方法时，可能都得重新计算或查找外部状态。

实际应用

• Java：Integer.valueOf(int) 对 -128 到 127 的值返回缓存的 Integer 对象，因此对小数字装箱时不会每次都分配新对象。
• Java：String.intern() 从字符串池中返回字符串的规范共享副本。
• 文本编辑器和浏览器从共享的字体缓存中渲染字形：屏幕上的每个字符保存自己的位置，而字形的形状按每种字体和字号只存一份。
• 游戏引擎使用实例化渲染：共享同一个网格和材质，每个副本只发送位置、旋转等逐实例数据。

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