享元模式

意图

当对象多到太重时，让它们变“轻”：把与具体实例无关、可以共享的数据只存一份。（Game Programming Patterns — flyweight）

机制

• 内在状态 (intrinsic state)：GoF 的术语，Nystrom 称之为“上下文无关”的数据。例如树的网格、树皮和树叶纹理。抽成一个 TreeModel，全局只需一份。
• 外在状态 (extrinsic state)：每个实例独有的数据，例如位置、缩放、色调。每个 Tree 只保存这些字段，外加一个指向共享 TreeModel 的引用。（Game Programming Patterns — flyweight）
• GPU 版本：实例化渲染 (instanced rendering)：Direct3D 和 OpenGL 都支持提交两条数据流，一条是只发送一次的公共数据（网格与纹理），一条是每个实例的参数；一次绘制调用就能画出整片森林。这里省下的主要不是内存，而是逐棵树经总线传给 GPU 的时间，但思路相同。作者在旁注里调侃：因为这一 API 直接由显卡实现，享元可能是唯一一个有真正硬件支持的 GoF 模式。（Game Programming Patterns — flyweight）
• 没有明确身份的共享对象：瓦片地形里，地形的移动代价、是否是水、纹理都与位置无关，也就是说全部是内在状态。于是世界网格不存枚举，而是存指向 Terrain 对象的指针，每种地形只有一个实例（直接作为 World 的成员）。这样既保留了对象式 API，World 也不再耦合地形细节，开销几乎为零，因为指针通常不比枚举大。（Game Programming Patterns — flyweight）

下图表示森林例子中的数据拆分：多个 Tree 实例各自只存外在状态，并共同指向一个 TreeModel。

flowchart LR
  T1["Tree 1：位置/缩放/色调"] --> M["TreeModel（共享）：网格、树皮纹理、树叶纹理"]
  T2["Tree 2：位置/缩放/色调"] --> M
  T3["Tree N：位置/缩放/色调"] --> M

图中只有右边那一份数据是大块数据；实例数量增长时，增加的只是左边的小对象。

何时使用

• 对象数量巨大，并且大部分字段在各实例之间相同。
• 代码里出现“一个枚举加上很多针对它的 switch”时，可以考虑换成享元对象：数据集中封装在对象里，又不必为每个格子付出一个完整对象的代价。（Game Programming Patterns — flyweight）

取舍与坑

• 指针间接访问可能造成缓存未命中：先跟随网格里的指针找到地形对象，再读移动代价。Nystrom 的测试里享元并不比枚举慢，甚至明显更快，但这完全取决于内存布局。原则是先做性能分析，不要凭推理就改成难维护的写法。（Game Programming Patterns — flyweight）
• 按需创建：如果预先不知道需要哪些享元，就在请求时先查找有没有相同的现成实例，有则复用。这需要把构造藏在一个接口后面（工厂方法 Factory Method），并维护一个已创建实例的池（可借助 对象池）。（Game Programming Patterns — flyweight）
• 享元对象几乎总是不可变的：书中 Terrain 的方法全部是 const。同一对象被多处共享，改动它会同时出现在所有地方；而共享只应是一种不改变程序可见行为的优化。（Game Programming Patterns — flyweight）
• 生命周期：共享实例被多处引用，动态分配时生命周期管理更复杂，所以例子里直接把它们作为 World 的成员存放。
• 和类型对象的区别：类型对象 也是把部分状态委托给多个实例共享的对象，但意图不同：类型对象是为了把“类型”提升进自己的对象模型、减少要定义的类，省内存只是附带收益；享元则纯粹为了效率。（Game Programming Patterns — flyweight）
• 状态对象也可以是享元：状态模式里如果状态对象没有任何专属于某台状态机的字段，同一个状态实例就能同时被多台状态机复用，见 状态模式与有限状态机。（Game Programming Patterns — flyweight）

代码草图（C++）

按书中瓦片地形例子整理（地形对象全部方法为 const，每种地形一个实例，网格只存指针）：

class Terrain {
public:
  Terrain(int movementCost, bool isWater, Texture texture)
  : movementCost_(movementCost), isWater_(isWater), texture_(texture) {}

  int getMovementCost() const { return movementCost_; }
  bool isWater() const { return isWater_; }
  const Texture& getTexture() const { return texture_; }

private:
  int movementCost_;
  bool isWater_;
  Texture texture_;
};

class World {
public:
  World()
  : grassTerrain_(1, false, GRASS_TEXTURE),
    hillTerrain_(3, false, HILL_TEXTURE),
    riverTerrain_(2, true, RIVER_TEXTURE) {}

  const Terrain& getTile(int x, int y) const { return *tiles_[x][y]; }

  void generateTerrain() {
    for (int x = 0; x < WIDTH; x++)          // 铺满草地，随机点缀山丘
      for (int y = 0; y < HEIGHT; y++)
        tiles_[x][y] = (random(10) == 0) ? &hillTerrain_ : &grassTerrain_;

    int x = random(WIDTH);                   // 铺一条河
    for (int y = 0; y < HEIGHT; y++) tiles_[x][y] = &riverTerrain_;
  }

private:
  Terrain* tiles_[WIDTH][HEIGHT];
  Terrain grassTerrain_;
  Terrain hillTerrain_;
  Terrain riverTerrain_;
};

int cost = world.getTile(2, 3).getMovementCost();

UE 与渲染中的对应

• 实例化绘制 → 绘制调用与状态切换优化：该页把实例化 (instancing) 列为减少绘制调用的手段，即一次调用多次绘制同一基础模型并附带每实例数据，适合植被和人群，正是本模式的 GPU 版本。
• 共享不可变资产 + 每次使用的实例数据 → Gameplay 能力系统：Gameplay Effect 是运行时不可变的资产，运行时实际传递的是包在资产外的 GE Spec（实例数据）。这与“内在状态共享、外在状态独有”的拆分一致。
• 无状态行为共享同一对象：同一页中，Non-Instanced 的能力不创建对象，直接用 CDO 执行，代价是不能修改成员变量，正对应“无字段的命令或状态可以共享一个实例”。CDO 见 UObject 与反射系统。