设计模式之单例模式

颖顿庐 · 10 小时前

认真对待每时、每刻每一件事，把握当下、立即去做。

单例模式，由于其简单好用容易理解、同时在出问题时也容易定位的特点，在开发中经常用到的一个设计模式。
一．什么是单例模式

1. 单例模式的定义

简单的来说，一个单例类，在整个程序中只有一个实例，并且提供一个类方法供全局调用，在编译时初始化这个类，然后一直保存在内存中，到程序（APP）退出时系统自动释放这部分内存。
2. 系统单例类了解

UIApplication（应用程序实例类）
NSNotificationCenter（消息中心类）
NSFileManager（文件管理类）
NSUserDefaults（应用程序设置）
NSURLCache（请求缓存类）
NSHTTPCookiesStorage（应用程序cookies池）
3. 在那些地方会常用到单例类

一般在应用程序中，经常需要调用的类，比如工具类，公共跳转类等等，都建议使用单例模式。
二．单例模式的生命周期

1. 单例实例在存储器中的位置

程序中不同变量在手机存储器中的存储位置详情见“内存管理”专题。
在程序中，一个单例类在只能初始化一次，为了保证在使用时始终都是存在的，所以单例是在存储器的全局区域。在编译时分配内存，只要程序还在运行就会一直占用内存，在 APP 结束后由系统释放这部分内存。
2. 多次初始化单例类会发生什么？

下面代码我们在工程中初始化一次 UIApplication。最终运行的结果如下，程序直接崩溃，由此可以确定，一个单例类只能初始化一次。

[[UIApplication alloc] init];
Terminating app due to uncaught exception 'NSInternalInconsistencyException', reason: 'There can only be one UIApplication instance.'

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三．实现单例类

1. 实现单例类的思路

只能分配一次内存（初始化一次），因此要拦截 alloc 方法。alloc 方法的底层是 allocWithZone 方法。
每个类只有一个对象，需要一个全局静态变量来存储这个对象。
需要考虑线程安全。
2. 单例的两种模式

懒汉模式：当使用这个单例对象的时候，才创建对象，就是 _instance 的懒加载形式。由于移动设备内存有限，所以这种方式最适合。
饿汉模式：当类第一次加载的时候，就创建单例对象，并保存在 _instance 中。由于第一次加载就创建，内存从程序开始运行的时候就分配了，不适合移动设备。
3. 单例基本形式（懒汉模式）

@interface XBLoadTool : NSObject
// 给外界快速创建单例对象使用
+ (instancetype)sharedLoadTool;
@end
#import "XBLoadTool.h"
// 定义全局静态变量,用来存储创建好的单例对象，当外界需要时，返回
static id _instance;
@implementation XBLoadTool
// 给外界快速创建单例对象使用
+ (instancetype)sharedLoadTool {
if (_instance == nil) {
// 避免出现多个线程同时创建_instance,加锁
@synchronized (self) {
// 使用懒加载，确保_instance只创建一次
if (_instance == nil) {
_instance = [[self alloc] init];
}
}
}
return _instance;
}
// 重写allocWithZone:方法---内存与sharedLoadTool方法体基本相同
+ (instancetype)allocWithZone:(NSZone *)zone {
// 避免每次线程过来都加锁，首先判断一次，如果为空才会继续加锁并创建对象
if(_instance == nil) {
// 避免出现多个线程同时创建_instance,加锁
@synchronized(self) {
// 使用懒加载，确保_instance只创建一次
if(_instance == nil) {
//调用父类方法，分配空间
_instance = [super allocWithZone:zone];
}
}
}
return _instance;
}
// 重写copyWithZone:方法,避免实例对象的copy操作导致创建新的对象
- (instancetype)copyWithZone:(NSZone *)zone {
// 由于是对象方法，说明可能存在_instance对象，直接返回即可
return _instance;
}
@end

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为什么全局变量要使用 static 修饰？
static 修饰局部变量：

其生命周期与全局变量相同，直到程序结束，只有一份内存空间。
内存空间：仅有一份，多次调用函数时保留上次的值。
作用域不变，仅限定义它的函数或代码块内，与未加static的局部变量作用域一致。

static 修饰全局变量：

内存空间：只有一份内存空间，全局变量本身只有一份，static 修饰后不改变此特性。
全局变量可以在其他文件中，通过 extern id _instance 来声明，然后直接在其他文件中调用。用 static 会将全局变量的链接属性从 external 改为 internal，使其仅在当前文件可见，其他文件无法通过 extern 引用，任何方式都无法跨文件访问。

加锁且懒加载的原理：懒加载是为了，确保整个类只有一个 instance。加锁：多线程中，可能多个线程都发现当前的 _instance==nil，那么就会同时创建对象，不符合单例的原则，所以加锁。但是加锁容易引起效率降低，不能每次线程过来就加锁，所以在加锁之前首先判断一次是否为空，不为空根本不需要创建，直接返回。为空则说明可能需要创建对象，那么再加锁。
3. GCD（dispatch_once_t）创建单例（懒汉模式）

考虑到线程安全，苹果官方推荐开发者使用 dispatch_once_t 来创建单例类。上面实例中，在 allocWithZone 方法和 sharedLoadTool 中，每次需要判断是否为空，然后加锁，其目的是为了保证 [[self alloc]init] 和 [super allocWithZone:zone] 代码只执行一次，那么可以使用 GCD 的一次性代码解决，另外，GCD 一次性代码是线程安全的，所以不需要我们自己来处理加锁问题。

// 创建单例类方法，供全局调用 - retutn type instancetype
+ (instancetype)shareOnceClass {
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
_onceClass = [[XBOnceClass alloc] init];
});
return _onceClass;
}
// 修改 allocWithZone 方法
+ (instancetype)allocWithZone:(NSZone *)zone{
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
_onceClass = [super allocWithZone:zone
];
});
return _onceClass;
}
// 重写 copyWithZone:方法,避免实例对象的 copy 操作导致创建新的对象
-(instancetype)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
//由于是对象方法，说明可能存在_onceClass对象，直接返回即可
return _onceClass;
}

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由于移动端特性，我们在开发过程中多用 GDG（懒汉模式）来创建单例。对于饿汉模式在第五大点有提到。
四．单例模式的优缺点

优点：
1）在整个程序中只会实例化一次，所以在程序如果出了问题，可以快速的定位问题所在；
2）由于在整个程序中只存在一个对象，节省了系统内存资源，提高了程序的运行效率；
缺点：
1）不能被继承，不能有子类；
2）不易被重写或扩展（可以使用分类）；
3）同时，由于单例对象只要程序在运行中就会一直占用系统内存，该对象在闲置时并不能销毁，在闲置时也消耗了系统内存资源；
五．单例模式过程详解

1. 初始化过程解析

重写单例类的 alloc->allocWithZone 方法，确保这个单例类只被初始化一次。
在 viewDidLoad 方法中调用单例类的 alloc 和 init 方法：[[XBOnceClass alloc] init];
此时只是报黄点，但是并没有报错，Run 程序也可以成功，这样的话，就不符合我们最开始使用单例模式的初衷来，这个类也可以随便初始化类，为什么呢？因为我们并没有获取 OneTimeClass 类中的使用实例;
因此可以重写 alloc 方法的处理可以采用断言或者系统为开发者提供的 NSException 类来告诉其他的同事这个类是单例类，不能多次初始化。

// 断言
+ (instancetype)alloc {
NSCAssert(!_onceClass, @"单例XBOnceClass只能被初始化一次");
return [super alloc];
}
//NSException
+ (instancetype)alloc {
//如果已经初始化了
if (_onceClass) {
NSException *exception = [NSException exceptionWithName:@"提示" reason:@"XBOnceClass类只能初始化一次" userInfo:nil];
[exception raise];
}
return [super alloc];
}

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但是，如果我们的程序直接就崩溃了，这样的做法与开发者开发 APP 的初衷是不是又相悖了，作为一个程序员的目的要给用户一个交互友好的 APP，而不是一点小问题就崩溃。对于这种情况，可以用到 NSObect 类提供的 load 方法和 initialize 方法来控制，
这两个方法的调用时机，load 方法：当程序开始运行的时候，所有类都会加载到内存中（不管这个类有没有使用），此时就会调用 load 方法，如果想某个操作在程序运行的过程中只执行一次，那么这个操作就可以放到 load 中，且在 main 函数调用之前调用，基于以上特点饿汉模式的单例创建就是放在 load 方法中； initialize 方法是当类第一次被使用的时候调用（比如调用类的方法），在 main 函数调用之后调用，如果子类没有重写该方法，那么父类的 initialize 方法可能会被执行多次，所以饿汉模式不能使用这种方法；
这样的话，饿汉模式下，如果我在单例类的 load 方法初始化这个类，是不是就保证了这个类在整个程序中调用一次呢？
这样就可以保证 sharedMusicTool 方法是最早调用的。同时，再次对 alloc 方法修改，无论在何时调用 instance 已经初始化了，如果再次调用 alloc 可直接返回_instance 实例。

@interface XBMusicTool : NSObject
//提供外界访问的方法
+(instancetype)sharedMusicTool;
@end
#import "XBMusicTool.h"
// 定义静态全局变量
static id _instance;
@implementation XBMusicTool
// 实现方法
+ (instancetype)sharedMusicTool {
return _instance;
}
// 重写load方法
+ (void)load {
// 不需要线程安全，类加载的时候线程还没开始呢
_instance = [[self alloc]init];
}
// 重写allocWithZone方法
+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone {
if(_instance == nil) {
_instance = [super allocWithZone:zone];
}
return _instance;
}
// 重写copyWithZone:方法,避免实例对象的copy操作导致创建新的对象
-(instancetype)copyWithZone:(NSZone *)zone {
// 由于是对象方法，说明可能存在_instance对象，直接返回即可
return _instance;
}
@end

复制代码

最后在 ViewController 中打印调用 XBMusicTool 的 sharedMusicTool 和 alloc 方法，可以看到 Log 出来的内存地址是相同的，这就说明此时我的 XBMusicTool 类就只初始化了一次。
2. 直接禁止方法的使用

直接禁用方法，禁止调用这几个方法，否则就报错，编译不过，不建议使用。

-(instancetype) copy __attribute__((unavailable("OneTimeClass类只能初始化一次")));

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六．常见问题和学习

1. 如果单例的静态变量被置为 nil 了，是否内存会得到释放？

https://blog.csdn.net/jhcBoKe/article/details/108097693
https://www.jianshu.com/p/5c0d002a0aad
https://www.cnblogs.com/dins/p/ios-singleton.html

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