【设计模式】单例模式

2016-07-01  本文已影响95人  666真666

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:

针对于这三个条件，OC中都是可以做到的

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:


- (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
缺点
适用场景
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