深入C#字符串和享元(Flyweight)模式的使用分析

写这个文章，主要是因为网上对C#字符串和享元模式的误解比较多。

Flyweight模式
先说这名字，fly呢，就是苍蝇，没错这里面不是飞的意思，是苍蝇的意思，weight大家都知道，就是重量，苍蝇的重量，就是非常非常轻的意思。所以Flyweight模式就是处理非常非常轻量级对象的一个东西。
Flyweight的目标是解决大量细粒度对象的内存消耗问题，当然，巧妇难为无米之炊，任何模式和手法都不能凭空造出内存来，所以享元模式针对的情况是这些细粒度对象的中数据有重复的情况。
Flyweight的做法是，把对象的状态（通常用属性表示），分成两个部分，一部分是内部状态，另一部分是外部状态。内部状态外部状态是不易重复的（或者说必要的），外部状态 内部状态是易重复的。所以，Flyweight把外部状态提取出来共享，这样就一定程度解决了内存占用问题。

C#中的字符串不是Flyweight模式
在网上常常可以看到一个说法，说C#中的字符串使用了Flyweight模式，开门见山地说，这个说法是错误的。
错在哪里呢？按照上文的介绍，错就错在字符串它没有所谓的“内部状态外部状态”。
通常讲字符串是享元的原因就是以下代码：
string a = "Hello World";
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a, "Hello World")); //True
当使用字符串直接量的时候，不论你写了多少个"Hello World"，最终内存里面只有一个字符串对象。
运行时创建的字符串并不在此列，可以使些手段，强制在内存里面产生新的字符串。
string a = "Hello World";
Console.WriteLine(Object.ReferenceEquals(a, new String("Hello World".ToCharArray())));  //False
因为我们强行调用了new，所以这个字符串跟内存中的直接量"Hello World"对应的对象不是同一个。
有趣的是，C#还允许强制把一个字符串加入到（如果已经有了，就只是找出来）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，这个行为跟Flyweight使用的内部状态和外部状态不同，是两个对象实实在在就是同一个对象。

C#中的字符串与Flyweight模式
好吧，前面说了不少，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没有关系呢？
当然不是，否则我写这么一篇文章岂不是太蛋疼了……
字符串池和Intern方法简直是实现Flyweight的神器啊！
考虑我们有某一类对象，可能会创建几百万个，对象里面恰巧有这么一个属性叫做颜色，它在对象构造的时候随机产生，颜色用的是rgb色，用rgb24来表示，于是颜色字符串类似#ccc这样子。
代码写起来就像下面的样子：


代码如下:

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];
 }
    }

接下来我们创建3千万个对象看看如何


代码如下:

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

从任务管理器看到一大块内存被吃掉了

接下来我们使用String.Intern来实现Flyweight：


代码如下:

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]);
 }
    }

可以看到内存占用量的明显变化。
因为字符串对象的不可更改性质，使用了String.Intern之后，我们完全看不出前后color的区别，也就是说，修改前后的Element类是完全等效的，但是Flyweight为我们节约了大量的内存。

更多思考
这个典型的使用flyweight场景为我们揭示了享元外部状态内部状态的特征：像字符串一样不可更改的对象。GoF原书的例子中的字型对象Glyph也是如此。
String.Intern这种对象池的方式实现flyweight也值得借鉴，我们可以考虑自己设计flyweight的外部状态对象时使用类似的方式。