[design pattern] singleton 模式：確保單一實例的關鍵設計

Singleton 模式：單一實例的守護者

在軟體開發的世界中，Singleton 模式就像是一個精明的管家，確保特定類別在整個應用程序中只存在一個實例。這種設計不僅節省了寶貴的系統資源，還為共享資源的管理提供了一致性保證。讓我們深入探討這個既簡單又強大的設計模式。

1. Singleton 模式的核心理念

Singleton 模式的核心思想是：

1. 唯一性：確保一個類別只有一個實例。
2. 全局訪問：提供一個全局訪問點來獲取這個唯一實例。
3. 延遲初始化：通常採用延遲加載（lazy loading）策略，即在首次使用時才創建實例。

2. 為什麼選擇 Singleton？

在許多場景中，Singleton 模式成為了開發者的首選：

1. 資源共享：當多個組件需要訪問同一資源時，Singleton 可以確保資源的一致性。
2. 狀態管理：在需要維護全局狀態的應用中，Singleton 提供了一個集中管理的方案。
3. 性能優化：通過重用單一實例，可以顯著減少記憶體使用和提高性能。

3. Singleton 的實際應用場景

讓我們看看 Singleton 在實際開發中的一些常見應用：

3.1 配置管理

class ConfigManager {
    constructor() {
        this._config = {};
    }

    static getInstance() {
        if (!ConfigManager.instance) {
            ConfigManager.instance = new ConfigManager();
        }
        return ConfigManager.instance;
    }

    getConfig(key) {
        return this._config[key];
    }

    setConfig(key, value) {
        this._config[key] = value;
    }
}

// 使用示例
const config = ConfigManager.getInstance();
config.setConfig('API_URL', 'https://api.example.com');
console.log(config.getConfig('API_URL')); // 輸出: https://api.example.com

3.2 日誌系統

class Logger {
    constructor() {
        this.logs = [];
    }

    static getInstance() {
        if (!Logger.instance) {
            Logger.instance = new Logger();
        }
        return Logger.instance;
    }

    log(message) {
        const timestamp = new Date().toISOString();
        this.logs.push(`${timestamp}: ${message}`);
        console.log(`${timestamp}: ${message}`);
    }

    getLogs() {
        return this.logs;
    }
}

// 使用示例
const logger = Logger.getInstance();
logger.log('應用程序啟動');
logger.log('用戶登錄');
console.log(logger.getLogs());

4. Singleton 模式的進階實現

除了基本實現，Singleton 還有一些進階技巧：

4.1 線程安全的 Singleton（Java 示例）

public class ThreadSafeSingleton {
    private static volatile ThreadSafeSingleton instance;

    private ThreadSafeSingleton() {}

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

4.2 模塊模式實現（JavaScript）

const DatabaseConnection = (function() {
    let instance;

    function createInstance() {
        // 私有變量和方法
        let connection = null;

        function connect() {
            // 模擬數據庫連接
            connection = { id: Math.random() };
            console.log('建立新的數據庫連接');
        }

        return {
            getConnection: function() {
                if (!connection) {
                    connect();
                }
                return connection;
            }
        };
    }

    return {
        getInstance: function() {
            if (!instance) {
                instance = createInstance();
            }
            return instance;
        }
    };
})();

// 使用示例
const connection1 = DatabaseConnection.getInstance().getConnection();
const connection2 = DatabaseConnection.getInstance().getConnection();

console.log(connection1 === connection2); // 輸出: true

5. Singleton 模式的優缺點

優點

1. 資源節約：避免重複創建對象，節省系統資源。
2. 全局狀態管理：提供了一個統一的全局狀態管理方案。
3. 協調行為：確保在系統中只有一個實例在運行，協調各個組件的行為。

缺點

1. 單元測試困難：全局狀態使得單元測試變得複雜。
2. 違反單一職責原則：Singleton 類別同時負責業務邏輯和自身的實例化控制。
3. 依賴問題：使用 Singleton 可能導致代碼間的高耦合。

6. 最佳實踐與注意事項

1. 慎用 Singleton：雖然 Singleton 模式強大，但不應濫用。評估是否真的需要全局唯一實例。
2. 考慮替代方案：在某些情況下，依賴注入可能是更好的選擇。
3. 線程安全：在多線程環境中，確保 Singleton 的線程安全實現。
4. 序列化問題：如果 Singleton 類別需要序列化，要特別注意避免反序列化時創建新實例。

結論

Singleton 模式是一把雙刃劍 —— 使用得當可以簡化設計、優化資源使用；使用不當則可能導致代碼難以維護。作為開發者，我們需要權衡利弊，在適當的場景中靈活運用這一模式，以創造出高效、可靠的軟件系統。