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深入C#字符串和享元(Flyweight)模式的使用分析

更新時(shí)間：2013年05月15日 16:00:27 投稿：jingxian

本篇文章是對(duì)C#字符串與享元(Flyweight)模式的使用進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹，需要的朋友參考下

寫這個(gè)文章，主要是因?yàn)榫W(wǎng)上對(duì)C#字符串和享元模式的誤解比較多。

Flyweight模式
先說這名字，fly呢，就是蒼蠅，沒錯(cuò)這里面不是飛的意思，是蒼蠅的意思，weight大家都知道，就是重量，蒼蠅的重量，就是非常非常輕的意思。所以Flyweight模式就是處理非常非常輕量級(jí)對(duì)象的一個(gè)東西。
Flyweight的目標(biāo)是解決大量細(xì)粒度對(duì)象的內(nèi)存消耗問題，當(dāng)然，巧婦難為無米之炊，任何模式和手法都不能憑空造出內(nèi)存來，所以享元模式針對(duì)的情況是這些細(xì)粒度對(duì)象的中數(shù)據(jù)有重復(fù)的情況。
Flyweight的做法是，把對(duì)象的狀態(tài)（通常用屬性表示），分成兩個(gè)部分，一部分是內(nèi)部狀態(tài)，另一部分是外部狀態(tài)。內(nèi)部狀態(tài)外部狀態(tài)是不易重復(fù)的（或者說必要的），外部狀態(tài) 內(nèi)部狀態(tài)是易重復(fù)的。所以，F(xiàn)lyweight把外部狀態(tài)提取出來共享，這樣就一定程度解決了內(nèi)存占用問題。

C#中的字符串不是Flyweight模式
在網(wǎng)上常常可以看到一個(gè)說法，說C#中的字符串使用了Flyweight模式，開門見山地說，這個(gè)說法是錯(cuò)誤的。
錯(cuò)在哪里呢？按照上文的介紹，錯(cuò)就錯(cuò)在字符串它沒有所謂的“內(nèi)部狀態(tài)外部狀態(tài)”。
通常講字符串是享元的原因就是以下代碼：
string a = "Hello World";
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a, "Hello World")); //True
當(dāng)使用字符串直接量的時(shí)候，不論你寫了多少個(gè)"Hello World"，最終內(nèi)存里面只有一個(gè)字符串對(duì)象。
運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的字符串并不在此列，可以使些手段，強(qiáng)制在內(nèi)存里面產(chǎn)生新的字符串。
string a = "Hello World";
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a, new String("Hello World".ToCharArray()))); //False
因?yàn)槲覀儚?qiáng)行調(diào)用了new，所以這個(gè)字符串跟內(nèi)存中的直接量"Hello World"對(duì)應(yīng)的對(duì)象不是同一個(gè)。
有趣的是，C#還允許強(qiáng)制把一個(gè)字符串加入到（如果已經(jīng)有了，就只是找出來）字符串池里面。
string a = "Hello World";
string b = String.Intern(new String("Hello World".ToCharArray()));
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a,b) );
或者
string a = String.Intern(new String("Hello World".ToCharArray()));
string b = String.Intern(new String("Hello World".ToCharArray()));
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a,b) );
前面提到了，這個(gè)行為跟Flyweight使用的內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)不同，是兩個(gè)對(duì)象實(shí)實(shí)在在就是同一個(gè)對(duì)象。

C#中的字符串與Flyweight模式
好吧，前面說了不少，C#中的字符串不是Flyweight模式，但是是不是就意味著C#里面字符串跟Flyweight沒有關(guān)系呢？
字符串池和Intern方法簡(jiǎn)直是實(shí)現(xiàn)Flyweight的神器?。?br />考慮我們有某一類對(duì)象，可能會(huì)創(chuàng)建幾百萬(wàn)個(gè)，對(duì)象里面恰巧有這么一個(gè)屬性叫做顏色，它在對(duì)象構(gòu)造的時(shí)候隨機(jī)產(chǎn)生，顏色用的是rgb色，用rgb24來表示，于是顏色字符串類似#ccc這樣子。
代碼寫起來就像下面的樣子：

復(fù)制代碼代碼如下:

    class Element
    {
 static Random rnd = new Random();
 static char[] table;
 static Element()
 {
     table = "0123456789abcdef".ToCharArray();
 }
 public string color;
 public Element()
 {
     color = "" + table[rnd.Next() % 16] + table[rnd.Next() % 16] + table[rnd.Next() % 16];
 }
    }

接下來我們創(chuàng)建3千萬(wàn)個(gè)對(duì)象看看如何

復(fù)制代碼代碼如下:

     Element[] eles = new Element[30000000];
     for (var i = 0; i < 30000000; i++)
     {
  eles[i] = new Element();
     }

從任務(wù)管理器看到一大塊內(nèi)存被吃掉了

接下來我們使用String.Intern來實(shí)現(xiàn)Flyweight：

復(fù)制代碼代碼如下:

    class Element
    {
static Random rnd = new Random();
static char[] table;
static Element()
{
     table = "0123456789abcdef".ToCharArray();
}

public string color;
public Element()
{
color = String.Intern("" + table[rnd.Next() % 16] + table[rnd.Next() % 16] + table[rnd.Next() % 16]);
}
}

可以看到內(nèi)存占用量的明顯變化。
因?yàn)樽址畬?duì)象的不可更改性質(zhì)，使用了String.Intern之后，我們完全看不出前后color的區(qū)別，也就是說，修改前后的Element類是完全等效的，但是Flyweight為我們節(jié)約了大量的內(nèi)存。

更多思考
這個(gè)典型的使用flyweight場(chǎng)景為我們揭示了享元外部狀態(tài)內(nèi)部狀態(tài)的特征：像字符串一樣不可更改的對(duì)象。GoF原書的例子中的字型對(duì)象Glyph也是如此。
String.Intern這種對(duì)象池的方式實(shí)現(xiàn)flyweight也值得借鑒，我們可以考慮自己設(shè)計(jì)flyweight的外部狀態(tài)對(duì)象時(shí)使用類似的方式。