Flyweight（享元）设计模式及其在Dart和Flutter中的实现概述
Flyweight（享元）设计模式概述
要查看所有设计模式的实际应用，请查看Flutter Design Patterns应用程序。
什么是Flyweight设计模式
Flyweight 属于结构型设计模式。在 GoF 书中，这个设计模式的目标被描述为：
通过共享来有效地支持大量细粒度对象。
以面向对象的文档编辑器为例。对于诸如表格、图片或图表这样的文档元素，通常会创建独立的对象。然而，对于文本元素（如单个字符），即便这种做法提高了灵活性，也并不可行。原因很简单 - 硬件的限制。一份文档通常包含成千上万的字符对象，这会消耗大量内存，并可能在文档编辑过程中导致意外崩溃。那么，这种面向对象的文档编辑器该如何实现呢？
答案在于 flyweight 对象 - 可以在多个上下文中同时使用的共享对象。这是如何工作的呢？如果我们重复使用相同的对象，当在一个地方改变该对象时，是否意味着所有其他地方也会受到影响？关键在于区分内在和外在状态。内在状态是恒定的（与上下文无关）因此可以共享，例如字符集中字符的编码。外在状态是可变的（与上下文有关）因此不能共享，例如文档中字符的位置。正是因为这个原因，这种概念在面向对象的编辑器中行得通 - 对字符集中的每个字符（例如，字母表中的每个字母）创建一个单独的 flyweight 对象，该对象将字符代码存储为内在状态，而将字符在文档中的坐标位置作为外在状态传递给 flyweight 对象。因此，每个字符只需在内存中存储一个 flyweight 对象实例，并可跨文档结构中不同的上下文共享。共享是关怀，对吧？
让我们深入分析和实施部分，以更好地了解这种模式及其实施方式！
Flyweight 设计模式分析
Flyweight 设计模式的总体结构如下所示：
- Flyweight - 包含内在状态，而外在状态则传递给 flyweight 的方法。对象必须是可共享的（可在多种不同上下文中使用）；
- FlyweightFactory - 创建和管理 flyweight 对象。当客户端调用工厂时，会检查特定的 flyweight 对象是否已存在。如果存在，则直接返回给客户端；否则，创建一个新的 flyweight 对象实例并返回；
- Context - 包含外在状态，对所有原始对象而言是独一无二的；
- Client - 计算或存储 flyweight(s) 的外在状态，并维持对它/它们的引用。
适用性
仅当程序必须支持大量几乎填满可用 RAM 的对象时，应该使用 Flyweight 设计模式。该模式的有效性取决于其使用方式和位置。以下情况下使用最为有效：
- 应用程序使用大量对象；
- 对象消耗了目标设备上所有可用的 RAM；
- 对象包含可以提取并在多个对象之间共享的重复状态；
- 一旦移除外在状态，许多对象组可以被少数几个共享对象取代；
- 应用程序不依赖于对象身份。由于 flyweight 对象是共享的，概念上不同的对象可能被视为同一个对象。
实现
虽然这次的实现不会解决任何现实世界的问题，但我们将实现一个简单的表示屏幕，并稍后研究使用 Flyweight 设计模式如何降低内存消耗。
假设我们想使用两种不同的几何形状（圆形和正方形）绘制我们的自定义背景。此外，在背景中，我们想随机放置总共 1000 个形状。这将以两种不同的方式实现：
- 背景中的每个形状都将创建一个新的形状对象；
- 将使用一个 flyweight 工厂，为每个形状创建一个对象。
稍后，我们将使用 Dart 应用程序的分析器工具 - Observatory - 来调查这些实现中每种实现使用了多少内存。让我们先看一下类图，然后再实现该模式。
Class diagram
下面的类图显示了 Flyweight 设计模式的实现：
ShapeType 是一个枚举类，定义了可能的形状类型 - Circle 和 Square。
IPositionedShape 定义了特定形状类的通用接口：
render()- 渲染形状 - 返回定位的形状小部件。此外，外在状态（x 和 y 坐标）被传递给此方法以在确切位置渲染形状。
Circle 和 Square 是 IPositionedShape 接口的具体定位形状实现。这两种形状都有自己的内在状态：圆形定义了 color 和 diameter 属性，而正方形包含 color、width 属性以及返回与 width 相同值的 height getter。
ShapeFactory 是一个简单的工厂类，通过 createShape() 方法创建并返回特定的形状对象。
ShapeFlyweightFactory 是一个 flyweight 工厂，包含一个 flyweight 对象映射 - shapesMap。当通过 getShape() 方法请求具体的 flyweight 时，flyweight 工厂会检查它是否存在于映射中并从那里返回它。否则，将使用 ShapeFactory 创建一个新的形状实例，并持久化在映射对象中以供进一步使用。
FlyweightExample 初始化并包含 ShapeFlyweightFactory 对象。此外，它包含一个定位形状列表 - shapesList - 使用 ShapeFlyweightFactory 和 flyweight 定位形状对象构建。
ShapeType
这是一个特殊的类别 - 枚举 - 用于定义不同的形状类型。
enum ShapeType {
circle,
square,
}
IPositionedShape
一个接口定义了 render() 方法，由具体的形状类实现。Dart 语言不支持将接口作为类类型，因此我们通过创建一个抽象类并提供方法头（名称、返回类型、参数），而不提供默认实现来定义接口。
abstract interface class IPositionedShape {
Widget render(double x, double y);
}
Concrete shapes
Circle - 代表圆形的 IPositionedShape 接口的具体实现。
class Circle implements IPositionedShape {
const Circle({
required this.color,
required this.diameter,
});
final Color color;
final double diameter;
@override
Widget render(double x, double y) {
return Positioned(
left: x,
bottom: y,
child: Container(
height: diameter,
width: diameter,
decoration: BoxDecoration(
color: color,
shape: BoxShape.circle,
),
),
);
}
}
Square - 代表正方形的 IPositionedShape 接口的具体实现。
class Square implements IPositionedShape {
const Square({
required this.color,
required this.width,
});
final Color color;
final double width;
double get _height => width;
@override
Widget render(double x, double y) {
return Positioned(
left: x,
bottom: y,
child: Container(
height: _height,
width: width,
color: color,
),
);
}
}
ShapeFactory
一个简单的工厂类，定义了 createShape() 方法，通过提供其类型来创建具体的形状。
class ShapeFactory {
const ShapeFactory();
IPositionedShape createShape(ShapeType shapeType) => switch (shapeType) {
ShapeType.circle => Circle(
color: Colors.red.withOpacity(0.2),
diameter: 10.0,
),
ShapeType.square => Square(
color: Colors.blue.withOpacity(0.2),
width: 10.0,
),
};
}
ShapeFlyweightFactory
一个 flyweight 工厂类，跟踪所有的 flyweight 对象，并在需要时创建它们。
class ShapeFlyweightFactory {
ShapeFlyweightFactory({
required this.shapeFactory,
});
final ShapeFactory shapeFactory;
final Map<ShapeType, IPositionedShape> shapesMap = {};
IPositionedShape getShape(ShapeType shapeType) {
if (!shapesMap.containsKey(shapeType)) {
shapesMap[shapeType] = shapeFactory.createShape(shapeType);
}
return shapesMap[shapeType]!;
}
int getShapeInstancesCount() => shapesMap.length;
}
Example
首先，准备并提供了一个作为模式描述的 markdown 文件：
FlyweightExample 初始化并包含 ShapeFlyweightFactory 类对象。此外，出于演示目的，这里也初始化了 ShapeFactory 对象。根据所选选项，使用 ShapeFactory 或 ShapeFlyweightFactory 来填充 IPositionedShape 对象列表，这些对象在示例屏幕的背景中被渲染。
class FlyweightExample extends StatefulWidget {
const FlyweightExample();
@override
_FlyweightExampleState createState() => _FlyweightExampleState();
}
class _FlyweightExampleState extends State<FlyweightExample> {
static const shapesCount = 1000;
final shapeFactory = const ShapeFactory();
late final ShapeFlyweightFactory _shapeFlyweightFactory;
late List<IPositionedShape> _shapesList;
var _shapeInstancesCount = 0;
var _useFlyweightFactory = false;
@override
void initState() {
super.initState();
_shapeFlyweightFactory = ShapeFlyweightFactory(shapeFactory: shapeFactory);
_buildShapesList();
}
void _buildShapesList() {
var shapeInstancesCount = 0;
_shapesList = <IPositionedShape>[];
for (var i = 0; i < shapesCount; i++) {
final shapeType = _getRandomShapeType();
final shape = _useFlyweightFactory
? _shapeFlyweightFactory.getShape(shapeType)
: shapeFactory.createShape(shapeType);
shapeInstancesCount++;
_shapesList.add(shape);
}
setState(() {
_shapeInstancesCount = _useFlyweightFactory
? _shapeFlyweightFactory.getShapeInstancesCount()
: shapeInstancesCount;
});
}
ShapeType _getRandomShapeType() {
const values = ShapeType.values;
return values[Random().nextInt(values.length)];
}
void _toggleUseFlyweightFactory(bool value) {
setState(() => _useFlyweightFactory = value);
_buildShapesList();
}
@override
Widget build(BuildContext context) {
return Stack(
children: <Widget>[
for (var shape in _shapesList)
PositionedShapeWrapper(
shape: shape,
),
Column(
crossAxisAlignment: CrossAxisAlignment.start,
children: <Widget>[
SwitchListTile.adaptive(
title: const Text(
'Use flyweight factory',
style: TextStyle(
fontWeight: FontWeight.bold,
),
),
activeColor: Colors.black,
value: _useFlyweightFactory,
onChanged: _toggleUseFlyweightFactory,
),
],
),
Center(
child: Text(
'Shape instances count: $_shapeInstancesCount',
style: const TextStyle(
fontWeight: FontWeight.bold,
),
),
),
],
);
}
}
使用 ShapeFlyweightFactory 时，客户端 - FlyweightExample 小部件 - 不需要关心 flyweight 对象的创建或管理。IPositionedShape 对象通过传递 ShapeType 从工厂请求，flyweight 工厂保留了所有需要形状的实例，并只返回它们的引用。因此，每种类型的形状对象只能创建一个实例，并在需要时重复使用。
从示例中，我们可以看到，为了构建屏幕背景，创建了 2 个或 1000 个形状实例。然而，要了解幕后发生了什么，我们可以使用 Dart Observatory 检查内存消耗。
当我们访问 Flyweight 设计模式的 Markdown 屏幕时，由于它们不在屏幕上可见，所以不会创建 Circle 和 Square 实例：
在渲染示例屏幕之前（未使用 flyweight 工厂），创建了总共 1000 个形状实例 - 在这种情况下，是 484 个圆和 516 个正方形：
当我们使用 flyweight 工厂时，每个特定形状只需要一个实例，该实例被初始化后随后共享（重用）：
一个形状实例使用 16 字节的内存，所以当我们初始化 1000 个形状时，总共需要约 16kB 的内存。然而，当使用 flyweight 工厂时，只需要 32 字节的内存就足以存储所有不同的形状实例 - 需要的内存减少了 500 倍！现在，如果将形状数量增加到 100 万，未使用 flyweight 工厂时需要约 15.2MB 的内存来存储它们，但使用 flyweight 工厂，相同的 32 字节就足够了。
所有有关 Flyweight 设计模式及其示例实现的代码更改可以在这里找到。
要查看模式实际操作，请查看交互式 Flyweight 示例。
转载自:https://juejin.cn/post/7372080507259256869