寫在前面

單例模式是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，它所創(chuàng)建的對(duì)象只有一個(gè)實(shí)例，且該實(shí)例易于被外界訪問。單例對(duì)象由于只有一個(gè)實(shí)例，所以它可以方便地被系統(tǒng)中的其他對(duì)象共享，從而減少系統(tǒng)中的資源開銷。

單例模式

單例模式的實(shí)現(xiàn)思路是：

1. 構(gòu)造函數(shù)需要被私有化，外部無(wú)法直接通過new來(lái)創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例。
2. 提供一個(gè)靜態(tài)的公有訪問點(diǎn)，用于獲取單例對(duì)象的實(shí)例。
3. 通過判斷實(shí)例是否已經(jīng)存在來(lái)決定創(chuàng)建或直接返回現(xiàn)有實(shí)例。

單例模式的要點(diǎn)：

• 某個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例
• 它必須自行創(chuàng)建實(shí)例
• 它必須自行向整個(gè)系統(tǒng)提供整個(gè)實(shí)例

我們來(lái)看一下使用TypeScript實(shí)現(xiàn)單例模式的代碼示例:

class Singleton {
  // 私有靜態(tài)屬性，存儲(chǔ)唯一實(shí)例
  private static instance: Singleton;

  // 私有構(gòu)造函數(shù)，防止外部實(shí)例化
  private constructor() {}

  // 向外部提供能夠共享訪問的唯一實(shí)例
  public static getInstance(): Singleton {
    if (!Singleton.instance) {
      Singleton.instance = new Singleton();
    }

    return Singleton.instance;
  }

  // 其他方法和屬性
}

const s1 = Singleton.getInstance(); 
const s2 = Singleton.getInstance();

console.log(s1 === s2); // true

上面代碼中，Singleton類的構(gòu)造函數(shù)被private修飾，使其無(wú)法在類的外部通過new來(lái)創(chuàng)建實(shí)例。

getInstance方法首先會(huì)判斷實(shí)例是否存在，如果不存在才去新建實(shí)例，如果實(shí)例已存在則直接返回現(xiàn)有實(shí)例。這確保了整個(gè)程序中只會(huì)創(chuàng)建該類的一個(gè)實(shí)例。

測(cè)試代碼中，s1和s2實(shí)際上是獲取的是同一個(gè)實(shí)例對(duì)象。

圖片

單例模式的優(yōu)點(diǎn):

• 對(duì)唯一實(shí)例的受控訪問。
• 由于單例對(duì)象存放在靜態(tài)變量中，所以可以直接通過類名訪問，簡(jiǎn)單方便。
• 可以避免對(duì)資源的重復(fù)占用。

單例模式的缺點(diǎn):

• 沒有抽象層，擴(kuò)展困難。
• 單例類的職責(zé)過重，違反單一職責(zé)原則。
• 沒有接口，依賴具體實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致擴(kuò)展性差。

Singleton單例：在單例類的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)只生成一個(gè)實(shí)例，同時(shí)提供一個(gè)靜態(tài)方法getInstance()方法，讓用戶可以訪問它的唯一實(shí)例；為了防止在外部對(duì)單例類實(shí)例化，它的構(gòu)造函數(shù)可見性為private；在單例類內(nèi)部定義了一個(gè)Singleton類型的靜態(tài)屬性instance，作為提供給外部共享訪問的唯一實(shí)例。

餓漢式單例類

餓漢式單例類：當(dāng)類被加載時(shí)，靜態(tài)屬性instance會(huì)被初始化，此時(shí)類的私有構(gòu)造函數(shù)會(huì)被調(diào)用，單例類的唯一實(shí)例將會(huì)被創(chuàng)建。

普通單例模式和餓漢式單例模式的區(qū)別:

• 普通單例模式是在第一次調(diào)用getInstance方法時(shí)才創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象。
• 餓漢式是無(wú)論是否調(diào)用都會(huì)在類加載時(shí)就創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象。

下面我們使用TypeScript代碼實(shí)現(xiàn)一個(gè)餓漢式單例：

class Singleton {
  private static instance = new Singleton();
  
  private constructor() {}

  public static getInstance() {
    return Singleton.instance;
  }
}

const s1 = Singleton.getInstance();
const s2 = Singleton.getInstance(); 

console.log(s1 === s2); // true

餓漢式單例由于在類加載時(shí)就完成了初始化，所以理論上它是線程安全的，在多線程環(huán)境下也能保證單例。

但餓漢式也有可能造成不必要的實(shí)例化，如果這個(gè)單例的實(shí)例對(duì)象較大，而客戶端又沒調(diào)用getInstance方法，那就會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存。

懶漢式單例模式

其實(shí)懶漢式單例模式，就是前面提到的普通單例模式。

懶漢式單例模式實(shí)現(xiàn)代碼如下：

class Singleton {
  private static instance: Singleton;

  private constructor() {}

  public static getInstance(): Singleton {
    if (!Singleton.instance) {
      Singleton.instance = new Singleton();
    }

    return Singleton.instance; 
  }
}

但是，這種實(shí)現(xiàn)方式存在一個(gè)問題，就是在多線程環(huán)境下會(huì)存在安全隱患。

如果有兩個(gè)線程A和B，它們同時(shí)調(diào)用 getInstance 方法，并且實(shí)例還沒有被初始化，那么它們會(huì)同時(shí)執(zhí)行 Singleton.instance = new Singleton();這行代碼。

這樣就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際創(chuàng)建了兩個(gè)實(shí)例，違反了單例模式的初衷。

為了使懶漢式單例在多線程中也是安全的，我們可以對(duì)getInstance方法加鎖:

class Singleton {
  private static instance: Singleton;

  private constructor() {}

  public static getInstance(): Singleton {
    if (!Singleton.instance) {
      // 加鎖
      lock()  

      if (!Singleton.instance) {
        Singleton.instance = new Singleton();
      }

      // 釋放鎖 
      unlock()
    }

    return Singleton.instance;
  }
}

這樣當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入該方法時(shí)，其它線程就只能等待，直到鎖被釋放后才能進(jìn)入方法。

這就確保了單例實(shí)例的唯一性。這里的鎖機(jī)制可以使用互斥量mutex等各種鎖的實(shí)現(xiàn)。

以上是關(guān)于懶漢式單例線程安全性問題的一個(gè)補(bǔ)充說(shuō)明。讓我們的單例模式實(shí)現(xiàn)更加健壯。

餓漢式單例與懶漢式單例類比較

1. 實(shí)例化時(shí)機(jī)不同

• 懶漢式是在第一次調(diào)用getInstance時(shí)才實(shí)例化Singleton對(duì)象
• 餓漢式是在類加載時(shí)就實(shí)例化了Singleton對(duì)象

2. 資源利用效率不同

• 懶漢式更節(jié)約資源，按需實(shí)例化，如果一直沒有調(diào)用getInstance也不會(huì)實(shí)例化
• 餓漢式不管是否需要都會(huì)實(shí)例化，如果長(zhǎng)時(shí)間沒有使用就會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存

3. 多線程安全性不同

• 餓漢式天然是多線程安全的，因?yàn)閷?shí)例在類加載時(shí)就已經(jīng)創(chuàng)建好了
• 懶漢式需要額外的同步機(jī)制來(lái)保證多線程安全

4. 使用場(chǎng)景不同

• 懶漢式更適合實(shí)例化過程比較耗時(shí)或耗資源的情況
• 餓漢式更適合實(shí)例化過程很快且確定會(huì)用到的情況

懶漢式相比餓漢式更加靈活，但需要處理多線程安全問題。餓漢式編寫簡(jiǎn)單但不太高效。

在實(shí)際開發(fā)中，我們可以根據(jù)需求選擇合適的實(shí)現(xiàn)方式，也可以采用雙重校驗(yàn)鎖等線程安全的懶漢式實(shí)現(xiàn)。

一種更好的單例實(shí)現(xiàn)方式

餓漢式單例類不能實(shí)現(xiàn)延遲加載，不管將來(lái)用不用，它始終占據(jù)內(nèi)存；懶漢式單例類線程安全控制繁瑣，而且性能收到影響。對(duì)此，無(wú)論是餓漢式單例還是懶漢式單例都在一些問題，使用IoDH（Initialization on Demand Holder）可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服兩者的缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)性能和實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的單例模式。

IoDH是一種技術(shù)方案，它利用了類的靜態(tài)屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲加載和線程安全。要實(shí)現(xiàn)IoDH，只需在但李磊中增加靜態(tài)內(nèi)部類即可，在該內(nèi)部類中創(chuàng)建單例對(duì)象，再將該單例對(duì)象通過getInstance()方法返回給外部使用。

// 單例服務(wù)接口
interface SingletonService {
  doSomething(): void; 
}

// 單例服務(wù)類
class SingletonServiceImpl implements SingletonService {

  doSomething() {
    console.log('Doing something...');
  }

}

// IoC容器類
class IoCContainer {

  private singleton: SingletonService;

  constructor() {
    this.singleton = new SingletonServiceImpl();
  }

  getSingleton(): SingletonService {
    return this.singleton;
  }

}

// 測(cè)試代碼

const container = new IoCContainer();

const s1 = container.getSingleton();
const s2 = container.getSingleton();

console.log(s1 === s2); // true

詳細(xì)解析一下使用IoC容器實(shí)現(xiàn)單例模式的代碼:

1. 定義了單例服務(wù)接口SingletonService，用于規(guī)范單例對(duì)象的操作。
2. SingletonServiceImpl實(shí)現(xiàn)了該接口，作為單例對(duì)象的具體實(shí)現(xiàn)類。
3. IoC容器類IoCContainer在內(nèi)部持有SingletonService類型的成員變量singleton。
4. IoC容器類的構(gòu)造函數(shù)中會(huì)實(shí)例化這個(gè)singleton對(duì)象，確保全局只有這一個(gè)實(shí)例。
5. getSingleton()方法用來(lái)返回這個(gè)singleton實(shí)例。
6. 在測(cè)試代碼中，從IoC容器中獲取了兩次單例對(duì)象，并比較它們的引用是否相同。
7. 運(yùn)行結(jié)果證明兩次獲取的確是同一個(gè)對(duì)象引用，即單例。

這樣通過IoC容器管理單例的創(chuàng)建，可以實(shí)現(xiàn):

1. 把單例對(duì)象的創(chuàng)建和生命周期管理轉(zhuǎn)移到IoC容器。
2. 外部代碼不需要關(guān)心單例內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)，只需要從容器中獲取實(shí)例即可。
3. 符合單一職責(zé)原則，程序邏輯更清晰。
4. 有利于代碼的可測(cè)試性，可以通過mock容器進(jìn)行單元測(cè)試。
5. 擴(kuò)展性較好，如果要切換不同的單例實(shí)現(xiàn)，只需要調(diào)整容器中的對(duì)象創(chuàng)建即可。

總結(jié)

單例模式作為一種設(shè)計(jì)模式，由于具有明確的目的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和易于理解的特點(diǎn)，在軟件開發(fā)中使用頻率很高，在許多應(yīng)用程序和框架中都有廣泛應(yīng)用。

1. 單例模式的主要優(yōu)點(diǎn)包括：提供對(duì)唯一實(shí)例的受控訪問，由于全局只存在一個(gè)實(shí)例，因此可以節(jié)約系統(tǒng)資源;允許擴(kuò)展為可變數(shù)量的實(shí)例，既節(jié)約資源又解決過度共享影響性能的問題。
2. 單例模式的主要缺點(diǎn)包括：沒有抽象層導(dǎo)致擴(kuò)展性差；違反單一職責(zé)原則，將實(shí)例化和業(yè)務(wù)邏輯混合在一起；在支持垃圾回收的運(yùn)行時(shí)環(huán)境下可能導(dǎo)致狀態(tài)丟失。
3. 使用單例模式的典型場(chǎng)景包括：系統(tǒng)只需要一個(gè)實(shí)例；客戶只能通過一個(gè)公共訪問點(diǎn)獲取實(shí)例;需要節(jié)約資源的頻繁創(chuàng)建銷毀對(duì)象。

總之，單例模式是一種利用率較高的設(shè)計(jì)模式，其限制實(shí)例個(gè)數(shù)的特點(diǎn)可以帶來(lái)節(jié)省資源的優(yōu)勢(shì)，但也可能導(dǎo)致擴(kuò)展性較弱以及與語(yǔ)言環(huán)境不夠匹配等問題。在軟件設(shè)計(jì)中，開發(fā)者需要權(quán)衡考慮系統(tǒng)的需求和優(yōu)缺點(diǎn)，適當(dāng)使用單例模式。