【设计模式】单例模式

单例模式

介绍

为了节约系统资源，有时需要确保系统中某个类只有唯一一个实例，当这个唯一实例创建成功之后，我们无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。为了确保对象的唯一性，我们可以通过单例模式来实现，这就是单例模式的动机所在。

定义

确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。
单例模式有三个要点：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

UML类图

饿汉式单例与懒汉式单例

饿汉式单例类

由于在定义静态变量的时候实例化单例类，因此在类加载的时候就已经创建了单例对象
当类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建。

class EagerSingleton {   
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();   
    private EagerSingleton() { }   
  
    public static EagerSingleton getInstance() {  
        return instance;   
    }     
} 

懒汉式单例类与线程锁定

懒汉式单例在第一次调用getInstance()方法时实例化，在类加载时并不自行实例化，这种技术又称为延迟加载(Lazy Load)技术，即需要的时候再加载实例，为了避免多个线程同时调用getInstance()方法，可以使用锁的形式，我们可以使用关键字synchronized

class LazySingleton {   
    private static LazySingleton instance = null;   
  
    private LazySingleton() { }   
  
    synchronized public static LazySingleton getInstance() {   
        if (instance == null) {  
            instance = new LazySingleton();   
        }  
        return instance;   
    }  
}  

该懒汉式单例类在getInstance()方法前面增加了关键字synchronized进行线程锁，以处理多个线程同时访问的问题。但是，上述代码虽然解决了线程安全问题，但是每次调用getInstance()时都需要进行线程锁定判断，在多线程高并发访问环境中，将会导致系统性能大大降低。如何既解决线程安全问题又不影响系统性能呢？我们继续对懒汉式单例进行改进。事实上，我们无须对整个getInstance()方法进行锁定，只需对其中的代码“instance = new LazySingleton();”进行锁定即可。因此getInstance()方法可以进行如下改进：

 public static LazySingleton getInstance() {   
    if (instance == null) {  
        synchronized (LazySingleton.class) {  
            instance = new LazySingleton();   
        }  
    }  
    return instance;   
}  

问题貌似得以解决，事实并非如此。如果使用以上代码来实现单例，还是会存在单例对象不唯一。原因如下：

假如在某一瞬间线程A和线程B都在调用getInstance()方法，此时instance对象为null值，均能通过instance == null的判断。由于实现了synchronized加锁机制，线程A进入synchronized锁定的代码中执行实例创建代码，线程B处于排队等待状态，必须等待线程A执行完毕后才可以进入synchronized锁定代码。但当A执行完毕时，线程B并不知道实例已经创建，将继续创建新的实例，导致产生多个单例对象，违背单例模式的设计思想，因此需要进行进一步改进，在synchronized中再进行一次(instance == null)判断，这种方式称为双重检查锁定(Double-Check Locking)。使用双重检查锁定实现的懒汉式单例类完整代码如下所示：

class LazySingleton {   
    private volatile static LazySingleton instance = null;   
  
    private LazySingleton() { }   
  
    public static LazySingleton getInstance() {   
        //第一重判断  
        if (instance == null) {  
            //锁定代码块  
            synchronized (LazySingleton.class) {  
                //第二重判断  
                if (instance == null) {  
                    instance = new LazySingleton(); //创建单例实例  
                }  
            }  
        }  
        return instance;   
    }  
}  

饿汉式单例类与懒汉式单例类比较

饿汉式单例类在类被加载时就将自己实例化，它的优点在于无须考虑多线程访问问题，可以确保实例的唯一性；从调用速度和反应时间角度来讲，由于单例对象一开始就得以创建，因此要优于懒汉式单例。但是无论系统在运行时是否需要使用该单例对象，由于在类加载时该对象就需要创建，因此从资源利用效率角度来讲，饿汉式单例不及懒汉式单例，而且在系统加载时由于需要创建饿汉式单例对象，加载时间可能会比较长。

懒汉式单例类在第一次使用时创建，无须一直占用系统资源，实现了延迟加载，但是必须处理好多个线程同时访问的问题，特别是当单例类作为资源控制器，在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费大量时间，这意味着出现多线程同时首次引用此类的机率变得较大，需要通过双重检查锁定等机制进行控制，这将导致系统性能受到一定影响。

OC中实现单例模式

实现单例模式有三个条件:

• 类的构造方法是私有的
• 类提供一个类方法用于产生对象
• 类中有一个私有的自己对象

针对于这三个条件，OC中都是可以做到的

• 类的构造方法是私有的,我们只需要重写allocWithZone方法，让初始化操作只执行一次
• 类提供一个类方法产生对象,这个可以直接定义一个类方法
• 类中有一个私有的自己对象，我们可以在.m文件中定义一个属性即可

简单版

    static Singleton *shareInstance;
    + (instancetype)shareInstance {
        if (shareInstance == nil) {
            shareInstance = [[Singleton alloc] init];
        }
        return shareInstance;
    }

这样就创建一个简单的单例模式，但实际上这是一个不“严格”版本，在实际中使用，如果我们使用alloc,copy等方法创建对象时，依然会创建新的实例。而且如果多线程同时访问时候也会创建多个实例，因此这样做是非线程安全的。

懒汉模式

#import "Singleton.h"

@implementation Singleton
static id _instance;

/**
 *  由于alloc方法内部会调用allocWithZone: 所以我们只需要保证在该方法只创建一个对象即可
 */
+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone{
    if (_instance == nil) { // 防止频繁加锁
        @synchronized(self) {
            if (_instance == nil) { // 防止创建多次
                _instance = [super allocWithZone:zone];
            }
        }
    }
    return _instance;
}

+ (instancetype)sharedSingleton{
    if (_instance == nil) { // 防止频繁加锁
        @synchronized(self) {
            if (_instance == nil) { // 防止创建多次
                _instance = [[self alloc] init];
            }
        }
    }
    return _instance;
}

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    // 因为copy方法必须通过实例对象调用, 所以可以直接返回_instance
    //    return [[self class] allocWithZone:zone];
    return _instance;
}
- (id)mutableCopyWithZone:(NSZone *)zone {
    //    return [[self class] allocWithZone:zone];
    return _instance;
}

饿汉模式(不常用)

  #import "HMSingleton.h"

@implementation Singleton
static id _instance;

/**
 *  当类加载到OC运行时环境中（内存），就会调用一次（一个类只会加载1次）
 */
+ (void)load{
    _instance = [[self alloc] init];
}

+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone{
    if (_instance == nil) { // 防止创建多次
        _instance = [super allocWithZone:zone];
    }
    return _instance;
}

+ (instancetype)sharedSingleton{
    return _instance;
}

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    // 因为copy方法必须通过实例对象调用, 所以可以直接返回_instance
    //    return [[self class] allocWithZone:zone];
    return _instance;
}

- (id)mutableCopyWithZone:(NSZone *)zone {
    //    return [[self class] allocWithZone:zone];
    return _instance;
}
@end

GCD实现单例模式

@implementation Singleton
static id _instance;

+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _instance = [super allocWithZone:zone];
    });
    return _instance;
}

+ (instancetype)sharedSingleton{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _instance = [[self alloc] init];
    });
    return _instance;
}

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    // 因为copy方法必须通过实例对象调用, 所以可以直接返回_instance
    //    return [[self class] allocWithZone:zone];
    return _instance;
}

- (id)mutableCopyWithZone:(NSZone *)zone {
    //    return [[self class] allocWithZone:zone];
    return _instance;
}
@end

非ARC

在非ARC的环境下,需要再加上下面的方法:

• 重写release方法为空
• 重写retain方法返回自己
• 重写retainCount返回1
• 重写autorelease返回自己

- (oneway void)release { }
- (id)retain { return self; }
- (NSUInteger)retainCount { return 1;}
- (id)autorelease { return self;}

如何判断是否是ARC

#if __has_feature(objc_arc)
//ARC环境
#else
//MRC环境
#endif

总结

优点

• 单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。
• 由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。
• 允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例，既节省系统资源，又解决了单例单例对象共享过多有损性能的问题。

缺点

• 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
• 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
• 现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。

适用场景

• 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
• 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。