享元模式詳解與範例

意圖與它解決的問題

意圖：利用共用，有效率地支援大量細粒度的物件。這個模式出自《設計模式》（Gang of Four，簡稱 GoF）一書，屬於結構型。

想像一張要畫出一百萬棵樹的地圖。每棵樹都有位置 (x, y) 和類型：樹種名稱、顏色，以及數 KB 大小的紋理圖片。如果每個樹物件都持有自己的紋理副本，記憶體用量就會隨樹的數量成長，程式可能會耗盡記憶體。然而樹種其實只有少數幾種。每一棵橡樹的紋理、名稱和顏色都是一樣的。

享元把重複的資料移到少數幾個共用的物件裡。一棵樹只需要儲存它的位置，再加上指向共用樹種類型的參照。一百萬棵樹、五個樹種，只需要五份紋理副本，而不是一百萬份。

內部狀態與外部狀態

關鍵的一步，是把每個物件的資料分成兩種：

因為享元是共用的，所以必須是不可變的。如果某個用戶端可以更改共用橡樹類型的顏色，地圖上的每一棵橡樹都會跟著改變。

結構與參與者

TypeScript 實作

工廠使用以內部狀態的值作為鍵的 Map。TreeType 是享元，Tree 是情境，而 Forest 是用戶端。

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

沒有工廠的話，程式會配置 100,000 個紋理緩衝區；有了工廠，就只有兩個。Tree 物件依然存在，但每個只持有兩個數字和一個參照。

何時使用、何時不該用

當以下條件全部成立時，使用享元：

• 程式會建立極大量相似的物件。
• 記憶體用量是實際量測到的問題，而不是猜測。
• 每個物件的大部分狀態都可以轉為外部狀態或共用。
• 程式不依賴物件的身分（兩個使用同一個享元的情境，允許共用它）。

當物件數量很少、物件需要各自獨立更改共用的資料，或是傳遞外部狀態所增加的複雜度，讓程式碼變得比省下的記憶體更難閱讀時，應避免使用。在許多情況下，更簡單的做法就行得通：把資料存放在平行陣列或型別陣列中，或是用 Map 把重複的字串駐留（intern）起來。

取捨：享元是以 CPU 時間換取記憶體。每次呼叫方法時，外部狀態可能都得重新計算或查詢。

實際應用

• Java：Integer.valueOf(int) 對 -128 到 127 的值回傳快取的 Integer 物件，所以對小數字做裝箱時，不會每次都配置新物件。
• Java：String.intern() 會從字串池回傳該字串的標準共用副本。
• 文字編輯器和瀏覽器從共用的字型快取來渲染字形：螢幕上的每個字元只儲存它的位置，而字形的形狀在每種字型與大小下只儲存一次。
• 遊戲引擎使用實例化渲染（instanced rendering）：共用一個網格與材質，每個副本只傳送位置、旋轉這類各實例專屬的資料。

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