Паттерн Одиночка (Singleton)

Суть паттерна

Одиночка – это порождающий паттерн проектирования, который гарантирует, что у класса есть только один экземпляр, и предоставляет к нему глобальную точку доступа.

Проблема

Одиночка решает сразу две проблемы, нарушая принцип единственной ответственности класса.

1. Гарантирует наличие единственного экземпляра класса. Чаще всего это полезно для доступа к какому-то общему ресурсу, например, базе данных.

Представьте, что вы создали объект, а через некоторое время пробуете создать ещё один. В этом случае хотелось бы получить старый объект, вместо создания нового.

Такое поведение невозможно реализовать с помощью обычного конструктора, так как конструктор класса всегда возвращает новый объект.

2. Предоставляет глобальную точку доступа. Это не просто глобальная переменная, через которую можно достучаться к определённому объекту. Глобальные переменные не защищены от записи, поэтому любой код может подменять их значения без вашего ведома.

Но есть и другой нюанс. Неплохо бы хранить в одном месте и код, который решает проблему №1, а также иметь к нему простой и доступный интерфейс.

Интересно, что в наше время паттерн стал настолько известен, что теперь люди называют «одиночками» даже те классы, которые решают лишь одну из проблем, перечисленных выше.

Решение

Все реализации одиночки сводятся к тому, чтобы скрыть конструктор по умолчанию и создать публичный статический метод, который и будет контролировать жизненный цикл объекта-одиночки.

Если у вас есть доступ к классу одиночки, значит, будет доступ и к этому статическому методу. Из какой точки кода вы бы его ни вызвали, он всегда будет отдавать один и тот же объект.

Аналогия из жизни

Правительство государства – хороший пример одиночки. В государстве может быть только одно официальное правительство. Вне зависимости от того, кто конкретно заседает в правительстве, оно имеет глобальную точку доступа «Правительство страны N».

Структура

1. Одиночка определяет статический метод getInstance, который возвращает единственный экземпляр своего класса.

Конструктор одиночки должен быть скрыт от клиентов. Вызов метода getInstance должен стать единственным способом получить объект этого класса.

Псевдокод

В этом примере роль Одиночки отыгрывает класс подключения к базе данных.

Этот класс не имеет публичного конструктора, поэтому единственный способ получить его объект – это вызвать метод getInstance. Этот метод сохранит первый созданный объект и будет возвращать его при всех последующих вызовах.

// Класс одиночки определяет статический метод `getInstance`,
// который позволяет клиентам повторно использовать одно и то же
// подключение к базе данных по всей программе.
class Database is
    // Поле для хранения объекта-одиночки должно быть объявлено
    // статичным.
    private static field instance: Database

    // Конструктор одиночки всегда должен оставаться приватным,
    // чтобы клиенты не могли самостоятельно создавать
    // экземпляры этого класса через оператор `new`.
    private constructor Database() is
        // Здесь может жить код инициализации подключения к
        // серверу баз данных.
        // ...

    // Основной статический метод одиночки служит альтернативой
    // конструктору и является точкой доступа к экземпляру этого
    // класса.
    public static method getInstance() is
        if (Database.instance == null) then
            acquireThreadLock() and then
                // На всякий случай ещё раз проверим, не был ли
                // объект создан другим потоком, пока текущий
                // ждал освобождения блокировки.
                if (Database.instance == null) then
                    Database.instance = new Database()
        return Database.instance

    // Наконец, любой класс одиночки должен иметь какую-то
    // полезную функциональность, которую клиенты будут
    // запускать через полученный объект одиночки.
    public method query(sql) is
        // Все запросы к базе данных будут проходить через этот
        // метод. Поэтому имеет смысл поместить сюда какую-то
        // логику кеширования.
        // ...

class Application is
    method main() is
        Database foo = Database.getInstance()
        foo.query("SELECT ...")
        // ...
        Database bar = Database.getInstance()
        bar.query("SELECT ...")
        // Переменная "bar" содержит тот же объект, что и
        // переменная "foo".

Применимость

Когда в программе должен быть единственный экземпляр какого-то класса, доступный всем клиентам (например, общий доступ к базе данных из разных частей программы).

Одиночка скрывает от клиентов все способы создания нового объекта, кроме специального метода. Этот метод либо создаёт объект, либо отдаёт существующий объект, если он уже был создан.

Когда вам хочется иметь больше контроля над глобальными переменными.

В отличие от глобальных переменных, Одиночка гарантирует, что никакой другой код не заменит созданный экземпляр класса, поэтому вы всегда уверены в наличии лишь одного объекта-одиночки.

Тем не менее, в любой момент вы можете расширить это ограничение и позволить любое количество объектов-одиночек, поменяв код в одном месте (метод getInstance).

Шаги реализации

1. Добавьте в класс приватное статическое поле, которое будет содержать одиночный объект.
2. Объявите статический создающий метод, который будет использоваться для получения одиночки.
3. Добавьте «ленивую инициализацию» (создание объекта при первом вызове метода) в создающий метод одиночки.
4. Сделайте конструктор класса приватным.
5. В клиентском коде замените вызовы конструктора одиночки вызовами его создающего метода.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гарантирует наличие единственного экземпляра класса.
• Предоставляет к нему глобальную точку доступа.
• Реализует отложенную инициализацию объекта-одиночки.

Недостатки

• Нарушает принцип единственной ответственности класса.
• Маскирует плохой дизайн.
• Проблемы мультипоточности.
• Требует постоянного создания Mock-объектов при юнит-тестировании.

Отношения с другими паттернами

Фасад можно сделать Одиночкой, так как обычно нужен только один объект-фасад.

Паттерн Легковес может напоминать Одиночку, если для конкретной задачи у вас получилось свести количество объектов к одному. Но помните, что между этими паттернами есть два кардинальных отличия:

1. В отличие от Одиночки, вы можете иметь множество объектов-легковесов.
2. Объекты-легковесы должны быть неизменяемыми, тогда как объект-одиночка допускает изменение своего состояния.

Абстрактная фабрика, Строитель и Прототип могут быть реализованы при помощи Одиночки.

Примеры реализации паттерна

Теги