文/iThome | 2007-09-17發表

什麼樣的應用情境，會希望某個類別在系統中只存在一份實例呢？通常?都是負責系統全面性工作的類別，例如工作排程器。排程器在產生之後，不斷地檢視系統中排程工作的設定，然後在發現需要執行的工作時，加以執行。

負責資源集中控管的類別，只能存在一份實例
這個排程器即所謂「系統中全面性工作的類別」。倘若工作排程器有兩個或甚至更多的實例，很容易會發生同一個工作被重複喚起並執行的情況。

這正好突顯出「系統中全面性工作的類別」具備資源集中控管的特性。我們會希望在此類別中，集中管理某些特定的資源，並於此處集中執行相關的限制。

只要稍具規模的軟體系統，大概都會有控制單一實例的需求。有時候，開發者並不完全只是想集中控制某些事情，也許只是發現，某個功能或需求，只需要一份實例即可。

例如，系統中有一個負責將郵遞區號對應至地區名，以及將地區名對應至郵遞區號的類別－AreaCodeMapper。AreaCodeMapper的運作，只是在物件被產生因而執行建構式時，從資料庫中讀取郵遞區號及地區名的對應關係，並且記錄這對應關係。而當用戶端程式碼查詢該物件時，便直接回傳對應結果。

即使允許AreaCodeMapper產生不同的實例，也不會產生負面的結果，但是，這樣的類別就算是不同的實例，其中所含的資訊，以及所提供的功能完全一模一樣，產生多份實例，只是多花費時間和資料庫連線資源，從資料庫重複的載入郵遞區號地區名對應表，同時花費記憶體空間罷了。

Singleton設計模式
這種僅會有單一實例的類別，正是設計模式中廣為人所知且廣為人所用的「Singleton」。以下是以Java寫成的一個Singleton的制式長相：


public class AreaCodeMapper
{
   private static AreaCodeMapper instance;
   public static AreaCodeMapper getInstance ()
   {
      if( instance == null )
           instance = new AreaCodeMapper();
      return instance;
}
public String mapAreaCodeToName(String areaCode)
{ // 略 …
}
public String mapAreaNameToCode(String areaName)
{ // 略 …
}
   public AreaCodeMapper()
   { // 連至資料庫，並載入郵遞區號地區名對應表
   }
}


Singleton類別會提供和getInstance()相同作用的靜態方法（method），使得用戶端可以直接以類別名稱指涉呼叫getInstance()後，得到Singleton類別的唯一類別。

從上述的程式碼中，可以明白當AreaCodeMapper 的getInstance()第一次被呼叫時，靜態的Instance變數為Null，因此便利用New語法產生AreaCodeMapper的物件。可是當getInstance()第二次被呼叫時，靜態的Instance變數已不為null，因此便不會再產生AreaCodeMapper的物件實例。

所以，透過上述的寫法，用戶端只需要呼叫AreaCodeMapper的getInstance()，皆可以無礙地取得唯一一份的實例。

上述這種作法稱為「延遲初始化（Lazy Initialization）」。採用延遲初始化的寫法，是因為應用時，如果沒有任何用戶端需要AreaCodeMapper的實例，就可以節省時間及資源，不必載入郵遞區號地區名對應表，也不需要浪費記憶體空間了。

杜絕用戶端自行穿越便道
上述的寫法，仍有兩個盲點需要改進。

首先，AreaCodeMapper的建構式宣告為Public，這意謂著倘若用戶端程式碼不透過getInstance()取得AreaCodeMapper的實例，而是自行利用new AreaCodeMapper()的方式產生實例，我們將完全無法限制。再者，考慮多執行緒的環境，倘若兩執行緒同時進入getInstance()，並同時間都通過了if( instance == null )的檢查，那麼便會發生產生兩份實例的情況。為此，我們可改寫如下：


public class AreaCodeMapper
{
   private static AreaCodeMapper instance;
   public static synchronized AreaCodeMapper getInstance ()
   {
      if( instance == null )
         instance = new AreaCodeMapper();
      return instance;
   }
   public String mapAreaCodeToName(String areaCode)
   { // 略 …
   }
   public String mapAreaNameToCode(String areaName)
   { // 略 …
   }
   private AreaCodeMapper()
   { // 連至資料庫，並載入郵遞區號地區名對應表
   }
}


將AreaCodeMapper建構式的存取權限改為Private，這是很少見的情況。因為這麼設定，代表只有AreaCodeMapper本身才能產生實例。其餘的類別，無論是否在同一個Package，有無繼承的關係，皆完全無法呼叫這個建構式。

這使我們可以確保一件事：只有在AreaCodeMapper類別中的Methods，例如getInstance()才能夠利用New產生AreaCodeMapper物件。也因此，杜絕了用戶端不經正門、自行穿越便道產生實例的可能性。

此外，為了避免多執行緒的彼此競爭，我為getInstance()加上synchronized修飾詞，這使得同時間僅會有單一執行緒進到getInstance()中，也就使得多執行緒重入而造成的問題，獲得解決。

避免使用者複製產生其他實例
最後，對於像Java這樣在根類別java.lang.Object定義物件的克隆（clone()）函式的程式語言，還要進一步防止用戶端利用getInstance()取得物件實例後，再呼叫物件的clone()函式，進而複製出其他的實例。

我們可以覆寫clone()，使得clone()被呼叫時，擲出異常，阻止用戶端透過clone()函式產生出一份以上的物件實例：


public Object clone() throws CloneNotSupportedException
{
   throw new CloneNotSupportedException();
}


以上，便是我們在實作僅具備單一實例之類別，也就是Singleton時，最普遍會遭遇到的議題。

Singleton雖然簡單，卻是開發每個系統時，幾乎都一定會運用到的模式。在設計類別時，設計者應該檢視類別是否具備Singleton的需求，例如集中控管資源或共享資源，並且決定是否套用，使得該類別僅產生並維持一份實例。

《作者簡介》王建興
清華大學資訊工程系的博士研究生，研究興趣包括電腦網路、點對點網路、分散式網路管理、以及行動式代理人，專長則是Internet應用系統的開發。曾參與過的開發專案性質十分廣泛而且不同，從ERP、PC Game到P2P網路電話都在他的涉獵範圍之內。

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