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C++17實現(xiàn)flyweight_factory模板類及使用示例詳解

 更新時間:2023年08月10日 10:25:57   作者:hedzr  
這篇文章主要為大家介紹了C++17實現(xiàn)flyweight_factory模板類及使用示例詳解,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步,早日升職加薪

FlyWeight Pattern

回顧享元模式,考慮實作它的各種問題。

理論

享元模式,是將復雜對象的相同的組成元素抽出并單獨維護的一種結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式。這些相同的組成元素被稱為共享元件,它們在一個單獨的容器中被唯一性地管理,而復雜對象只需持有到該唯一實例的參考,而無需重復創(chuàng)建這樣的相同的元素,從而能夠大幅度地削減內(nèi)存占用。

以字處理器為例,每個字符都具有獨立的、區(qū)別于其它字符的特殊屬性:例如字體樣式,背景、邊框、對齊等等。如果一個文檔中全部字符都單獨存儲一份它的所有屬性的副本,那么這將會是龐大的內(nèi)存需求。但考慮到一大堆(例如1000個)字符可能都有相同的“宋體,9pt”這樣的屬性,那么實際上我們只需要單獨存儲一份“宋體,9pt”的字體樣式屬性,而一個字符只需要一個指向該字體樣式屬性的指針就可以了,這就比1000個字符的1000個字體樣式屬性拷貝要節(jié)約的多。

類似的案例還有相當多,例如例子系統(tǒng)中的每個粒子(例如子彈、彈片,或者敵方飛機)都有一些相同的屬性(例如顏色,輪廓等等)占地不小,但值卻相同。

工廠模式

很容易想到,我們可以在一個工廠中就地管理享元對象。當客戶以具體值來請求一個享元對象時,工廠會從一個字典中檢索享元是否存在,然后返回該元素的參考引用給客戶。如果享元尚未存在,那么工廠會創(chuàng)建它,然后在返回引用。

不可變性

按照傳統(tǒng)的說法,享元模式要求這些相同的部分(享元,相同的組成元素)是不可變的。但這并不是鐵律。

一個方法是,以一個享元為整體,我們可以整體修改對象持有的享元參考。

例如我們正在修改字處理器中的一個單詞的字體樣式,從“宋體,9pt”改為“黑體,12pt”,那么我們可以直接修改引用指向。也就是說,我們提供 character.apply_font_style(font_style& style) 這樣的整體修改接口。

另一個方法可以從更細的粒度出發(fā)進行修改,例如從“宋體,9pt”改為“宋體,10pt”,但在發(fā)生變更時,嘗試從工廠中查證新值的參考。也就是說,我們提供 character.set_font_size(float pt) 這樣的接口,但在其實現(xiàn)過程中記得去查證享元工廠(管理器)以求更新內(nèi)部引用。

C++ 實現(xiàn)

傳統(tǒng)的享元模式的實現(xiàn)方式有這樣的示例代碼:

namespace hicc::dp::flyweight::basic {
  /**
     * flyweight Design Pattern
     *
     * Intent: Lets you fit more objects into the available amount of RAM by sharing
     * common parts of state between multiple objects, instead of keeping all of the
     * data in each object.
     */
  struct shared_state {
    std::string brand_;
    std::string model_;
    std::string color_;
    shared_state(const std::string &brand, const std::string &model, const std::string &color)
      : brand_(brand)
        , model_(model)
        , color_(color) {
      }
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const shared_state &ss) {
      return os << "[ " << ss.brand_ << " , " << ss.model_ << " , " << ss.color_ << " ]";
    }
  };
  struct unique_state {
    std::string owner_;
    std::string plates_;
    unique_state(const std::string &owner, const std::string &plates)
      : owner_(owner)
        , plates_(plates) {
      }
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const unique_state &us) {
      return os << "[ " << us.owner_ << " , " << us.plates_ << " ]";
    }
  };
  /**
     * The flyweight stores a common portion of the state (also called intrinsic
     * state) that belongs to multiple real business entities. The flyweight accepts
     * the rest of the state (extrinsic state, unique for each entity) via its
     * method parameters.
     */
  class flyweight {
    private:
    shared_state *shared_state_;
    public:
    flyweight(const shared_state *o)
      : shared_state_(new struct shared_state(*o)) {
      }
    flyweight(const flyweight &o)
      : shared_state_(new struct shared_state(*o.shared_state_)) {
      }
    ~flyweight() { delete shared_state_; }
    shared_state *state() const { return shared_state_; }
    void Operation(const unique_state &unique_state) const {
      std::cout << "flyweight: Displaying shared (" << *shared_state_ << ") and unique (" << unique_state << ") state.\n";
    }
  };
  /**
     * The flyweight Factory creates and manages the flyweight objects. It ensures
     * that flyweights are shared correctly. When the client requests a flyweight,
     * the factory either returns an existing instance or creates a new one, if it
     * doesn't exist yet.
     */
  class flyweight_factory {
    std::unordered_map<std::string, flyweight> flyweights_;
    std::string key(const shared_state &ss) const {
      return ss.brand_ + "_" + ss.model_ + "_" + ss.color_;
    }
    public:
    flyweight_factory(std::initializer_list<shared_state> lists) {
      for (const shared_state &ss : lists) {
        this->flyweights_.insert(std::make_pair<std::string, flyweight>(this->key(ss), flyweight(&ss)));
      }
    }
    /**
     * Returns an existing flyweight with a given state or creates a new one.
     */
    flyweight get(const shared_state &shared_state) {
      std::string key = this->key(shared_state);
      if (this->flyweights_.find(key) == this->flyweights_.end()) {
        std::cout << "flyweight_factory: Can't find a flyweight, creating new one.\n";
        this->flyweights_.insert(std::make_pair(key, flyweight(&shared_state)));
      } else {
        std::cout << "flyweight_factory: Reusing existing flyweight.\n";
      }
      return this->flyweights_.at(key);
    }
    void list() const {
      size_t count = this->flyweights_.size();
      std::cout << "\nflyweight_factory: I have " << count << " flyweights:\n";
      for (std::pair<std::string, flyweight> pair : this->flyweights_) {
        std::cout << pair.first << "\n";
      }
    }
  };
  // ...
  void AddCarToPoliceDatabase(
    flyweight_factory &ff,
    const std::string &plates, const std::string &owner,
    const std::string &brand, const std::string &model, const std::string &color) {
    std::cout << "\nClient: Adding a car to database.\n";
    const flyweight &flyweight = ff.get({brand, model, color});
    // The client code either stores or calculates extrinsic state and passes it
    // to the flyweight's methods.
    flyweight.Operation({owner, plates});
  }
} // namespace hicc::dp::flyweight::basic
void test_flyweight_basic() {
  using namespace hicc::dp::flyweight::basic;
  flyweight_factory *factory = new flyweight_factory({ {"Chevrolet", "Camaro2018", "pink"}, {"Mercedes Benz", "C300", "black"}, {"Mercedes Benz", "C500", "red"}, {"BMW", "M5", "red"}, {"BMW", "X6", "white"} });
  factory->list();
  AddCarToPoliceDatabase(*factory,
                         "CL234IR",
                         "James Doe",
                         "BMW",
                         "M5",
                         "red");
  AddCarToPoliceDatabase(*factory,
                         "CL234IR",
                         "James Doe",
                         "BMW",
                         "X1",
                         "red");
  factory->list();
  delete factory;
}

其輸出結(jié)果如同這樣:

--- BEGIN OF test_flyweight_basic                     ----------------------

flyweight_factory: I have 5 flyweights:
BMW_X6_white
Mercedes Benz_C500_red
Mercedes Benz_C300_black
BMW_M5_red
Chevrolet_Camaro2018_pink

Client: Adding a car to database.
flyweight_factory: Reusing existing flyweight.
flyweight: Displaying shared ([ BMW , M5 , red ]) and unique ([ James Doe , CL234IR ]) state.

Client: Adding a car to database.
flyweight_factory: Can't find a flyweight, creating new one.
flyweight: Displaying shared ([ BMW , X1 , red ]) and unique ([ James Doe , CL234IR ]) state.

flyweight_factory: I have 6 flyweights:
BMW_X1_red
Mercedes Benz_C300_black
BMW_X6_white
Mercedes Benz_C500_red
BMW_M5_red
Chevrolet_Camaro2018_pink
--- END OF test_flyweight_basic                       ----------------------

可以看到,像 [ BMW , X1 , red ] 這樣的一個享元,單個實例較大(數(shù)十、數(shù)百乃至數(shù)十K 字節(jié)),而引用參考不過是一個指針的大?。ㄍǔJ?64 bytes on 64-bit OS),那么最終節(jié)省的內(nèi)存是非??捎^的。

元編程中的 FlyWeight Pattern

上面的示例,已經(jīng)是舊風格了,C++11 以后我們需要大量地使用智能指針、以及模板語法,而在 C++17 之后更好的原位構(gòu)造能力允許我們的代碼能夠更加 meaningful。

flyweight_factory

一個想法是,我們認為一個盡可能通用的享元工廠可能是有利于代碼書寫的。所以我們嘗試這樣一個享元工廠模板:

namespace hicc::dp::flyweight::meta {
  template<typename shared_t = shared_state_impl, typename unique_t = unique_state_impl>
  class flyweight {
    std::shared_ptr<shared_t> shared_state_;
    public:
    flyweight(flyweight const &o)
      : shared_state_(std::move(o.shared_state_)) {
      }
    flyweight(shared_t const &o)
      : shared_state_(std::make_shared<shared_t>(o)) {
      }
    ~flyweight() {}
    auto state() const { return shared_state_; }
    auto &state() { return shared_state_; }
    void Operation(const unique_t &unique_state) const {
      std::cout << "flyweight: Displaying shared (" << *shared_state_ << ") and unique (" << unique_state << ") state.\n";
    }
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const flyweight &o) {
      return os << *o.shared_state_;
    }
  };
  template<typename shared_t = shared_state_impl,
                   typename unique_t = unique_state_impl,
                   typename flyweight_t = flyweight<shared_t, unique_t>,
                   typename hasher_t = std::hash<shared_t>>
  class flyweight_factory {
    public:
    flyweight_factory() {}
    explicit flyweight_factory(std::initializer_list<shared_t> args) {
      for (auto const &ss : args) {
        flyweights_.emplace(_hasher(ss), flyweight_t(ss));
      }
    }
    flyweight_t get(shared_t const &shared_state) {
      auto key = _hasher(shared_state);
      if (this->flyweights_.find(key) == this->flyweights_.end()) {
        std::cout << "flyweight_factory: Can't find a flyweight, creating new one.\n";
        this->flyweights_.emplace(key, flyweight_t(shared_state));
      } else {
        std::cout << "flyweight_factory: Reusing existing flyweight.\n";
      }
      return this->flyweights_.at(key);
    }
    void list() const {
      size_t count = this->flyweights_.size();
      std::cout << "\nflyweight_factory: I have " << count << " flyweights:\n";
      for (auto const &pair : this->flyweights_) {
        std::cout << pair.first << " => " << pair.second << "\n";
      }
    }
    private:
    std::unordered_map<std::size_t, flyweight_t> flyweights_;
    hasher_t _hasher{};
  };
} // namespace hicc::dp::flyweight::meta

然后我們就可以以派生類的方式直接使用這個享元工廠了:

class vehicle : public flyweight_factory<shared_state_impl, unique_state_impl> {
  public:
  using flyweight_factory<shared_state_impl, unique_state_impl>::flyweight_factory;
  void AddCarToPoliceDatabase(
    const std::string &plates, const std::string &owner,
    const std::string &brand, const std::string &model, const std::string &color) {
    std::cout << "\nClient: Adding a car to database.\n";
    auto const &flyweight = this->get({brand, model, color});
    flyweight.Operation({owner, plates});
  }
};

其中 using flyweight_factory<shared_state_impl, unique_state_impl>::flyweight_factory; 是 C++17 以后的新語法,它將父類的所有構(gòu)造函數(shù)原樣復制給派生類,從而讓你不必拷貝粘貼代碼然后修改類名。

在 vehicle 模板類中我們使用默認的 flyweight<shared_t, unique_t>,但你可以在 flyweight_factory 的模板參數(shù)中修改它以便提供你自己的享元類具體實現(xiàn)。

測試代碼

void test_flyweight_meta() {
    using namespace hicc::dp::flyweight::meta;
    auto factory = std::make_unique<vehicle>(
            std::initializer_list<shared_state_impl>{
                    {"Chevrolet", "Camaro2018", "pink"},
                    {"Mercedes Benz", "C300", "black"},
                    {"Mercedes Benz", "C500", "red"},
                    {"BMW", "M5", "red"},
                    {"BMW", "X6", "white"}});
    factory->list();
    factory->AddCarToPoliceDatabase("CL234IR",
                                    "James Doe",
                                    "BMW",
                                    "M5",
                                    "red");
    factory->AddCarToPoliceDatabase("CL234IR",
                                    "James Doe",
                                    "BMW",
                                    "X1",
                                    "red");
    factory->list();
}

附加

我們使用了稍稍不同的基礎(chǔ)類 shared_state_impl 以及 unique_state_impl

namespace hicc::dp::flyweight::meta {
  struct shared_state_impl {
    std::string brand_;
    std::string model_;
    std::string color_;
    shared_state_impl(const std::string &brand, const std::string &model, const std::string &color)
      : brand_(brand)
        , model_(model)
        , color_(color) {
      }
    shared_state_impl(shared_state_impl const &o)
      : brand_(o.brand_)
        , model_(o.model_)
        , color_(o.color_) {
      }
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const shared_state_impl &ss) {
      return os << "[ " << ss.brand_ << " , " << ss.model_ << " , " << ss.color_ << " ]";
    }
  };
  struct unique_state_impl {
    std::string owner_;
    std::string plates_;
    unique_state_impl(const std::string &owner, const std::string &plates)
      : owner_(owner)
        , plates_(plates) {
      }
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const unique_state_impl &us) {
      return os << "[ " << us.owner_ << " , " << us.plates_ << " ]";
    }
  };
} // namespace hicc::dp::flyweight::meta
namespace std {
  template<>
  struct hash<hicc::dp::flyweight::meta::shared_state_impl> {
    typedef hicc::dp::flyweight::meta::shared_state_impl argument_type;
    typedef std::size_t result_type;
    result_type operator()(argument_type const &s) const {
      result_type h1(std::hash<std::string>{}(s.brand_));
      hash_combine(h1, s.model_, s.color_);
      return h1;
    }
  };
} // namespace std

這是因為我們在 flyweight_factory 中使用了 std::hash 技術(shù)來管理一個享元的鍵值,所以我們必須明確地實現(xiàn) shared_state_impl 的 std::hash 特化版本。

而在這個特化版本中我們又利用了一個特別的 hash_combine 函數(shù)。

hash_combine

這是一個技術(shù)性很強的概念,因為它涉及到了一個神奇的幻數(shù)(magicnum)0x9e3779b9。

我們在 hicc-cxx/cmdr-cxx 中提供了一個源于 boost::hash_combine 的同名擴展:

namespace std {
  template<typename T, typename... Rest>
  inline void hash_combine(std::size_t &seed, T const &t, Rest &&...rest) {
    std::hash<T> hasher;
    seed ^= 0x9e3779b9 + (seed << 6) + (seed >> 2) + hasher(t);
    int i[] = {0, (hash_combine(seed, std::forward<Rest>(rest)), 0)...};
    (void) (i);
  }
  template<typename T>
  inline void hash_combine(std::size_t &seed, T const &v) {
    std::hash<T> hasher;
    seed ^= 0x9e3779b9 + (seed << 6) + (seed >> 2) + hasher(v);
  }
} // namespace std

它的作用在于計算一系列的對象的 hash 值并組合它們。

關(guān)于如何正確地組合一堆 hash 值,較為簡單地方法是:

std::size_t h1 = std::hash<std::string>("hello");
std::size_t h2 = std::hash<std::string>("world");
std::size_t h = h1 | (h2 << 1);

但仍然有更多的探討,其中得到了公認的最佳手段(C++中)是源自于 boost::hash_combine 實現(xiàn)代碼的一個方法:

seed ^= hasher(v) + 0x9e3779b9 + (seed<<6) + (seed>>2);

就目前已知的學術(shù)研究中,這是最佳的。

那么誰制造了這么奇幻的一個神經(jīng)質(zhì)數(shù)(golden ratio)呢,大體可考的原作應該是: A Hash Function for Hash Table Lookup 或 Hash Functions for Hash Table Lookup 。原作者 Bob Jenkins,原發(fā)于 DDJ 刊物 1997 年,代碼大約是成形于 1996 年。而這個數(shù)嘛,源于這個表達式:

$\frac{2^{32}}{\frac{1+\sqrt{5}}{2}}$ (

Epilogue

好,雖然不算太盡人意,但我確實實現(xiàn)了一個 C++17 的勉強比較通用的 flyweight_factory 模板類,就將就了吧。

以上就是C++17實現(xiàn)flyweight_factory模板類及使用示例詳解的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于C++17 flyweight_factory模板類的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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