C#字符串與享元(Flyweight)模式


寫這個文章,主要是因為網上對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對象的一個東西。

Flyweight的目標是解決大量細粒度對象的內存消耗問題,當然,巧婦難為無米之炊,任何模式和手法都不能憑空造出內存來,所以享元模式針對的情況是這些細粒度對象的中數據有重復的情況。

Flyweight的做法是,把對象的狀態(通常用屬性表示),分成兩個部分,一部分是內部狀態,另一部分是外部狀態。 內部狀態 外部狀態是不易重復的(或者說必要的), 外部狀態 內部狀態是易重復的。所以,Flyweight把外部狀態提取出來共享,這樣就一定程度解決了內存占用問題。

C#中的字符串不是Flyweight模式

在網上常常可以看到一個說法,說C#中的字符串使用了Flyweight模式,開門見山地說,這個說法是錯誤的。

錯在哪里呢?按照上文的介紹,錯就錯在字符串它沒有所謂的“ 內部狀態 外部狀態”。

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

當使用字符串直接量的時候,不論你寫了多少個"Hello World",最終內存里面只有一個字符串對象。

運行時創建的字符串並不在此列,可以使些手段,強制在內存里面產生新的字符串。

string a = "Hello World";
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a, new String("Hello World".ToCharArray())));  //False

因為我們強行調用了new,所以這個字符串跟內存中的直接量"Hello World"對應的對象不是同一個。

有趣的是,C#還允許強制把一個字符串加入到(如果已經有了,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,這個行為跟Flyweight使用的內部狀態和外部狀態不同,是兩個對象實實在在就是同一個對象。

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,但是是不是就意味着C#里面字符串跟Flyweight沒有關系呢?

當然不是,否則我寫這么一篇文章豈不是太蛋疼了……

字符串池和Intern方法簡直是實現Flyweight的神器啊!

考慮我們有某一類對象,可能會創建幾百萬個,對象里面恰巧有這么一個屬性叫做顏色,它在對象構造的時候隨機產生,顏色用的是rgb色,用rgb24來表示,於是顏色字符串類似#ccc這樣子。

代碼寫起來就像下面的樣子:

    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];
	}
    }

接下來我們創建3千萬個對象看看如何

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

從任務管理器看到一大塊內存被吃掉了

QFOMR9}(NR%(T3`V3Q35MSY

接下來我們使用String.Intern來實現Flyweight:

    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]);
	}
    }

同樣來看看運行結果:


@XMI6L75IKU}S%NGI6L31@K

可以看到內存占用量的明顯變化。

因為字符串對象的不可更改性質,使用了String.Intern之后,我們完全看不出前后color的區別,也就是說,修改前后的Element類是完全等效的,但是Flyweight為我們節約了大量的內存。

更多思考

這個典型的使用flyweight場景為我們揭示了享元 外部狀態 內部狀態的特征:像字符串一樣不可更改的對象。GoF原書的例子中的字型對象Glyph也是如此。

String.Intern這種對象池的方式實現flyweight也值得借鑒,我們可以考慮自己設計flyweight的外部狀態對象時使用類似的方式。


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