JavaScript 设计模式

07、JavaScript 设计模式 - 单例模式

单例模式可能是设计模式里面最简单的模式了，虽然简单，但在我们日常生活和编程中却经常接触到，本节我们一起来学习一下。

单例模式（Singleton Pattern）又称为单体模式，保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。也就是说，第二次使用同一个类创建新对象的时候，应该得到与第一次创建的对象完全相同的对象。

1. 你曾经遇见过的单例模式

当我们在电脑上玩经营类的游戏，经过一番眼花缭乱的骚操作好不容易走上正轨，夜深了我们去休息，第二天打开电脑，发现要从头玩，立马就把电脑扔窗外了，所以一般希望从前一天的进度接着打，这里就用到了存档。每次玩这游戏的时候，我们都希望拿到同一个存档接着玩，这就是属于单例模式的一个实例。

编程中也有很多对象我们只需要唯一一个，比如数据库连接、线程池、配置文件缓存、浏览器中的 window/document 等，如果创建多个实例，会带来资源耗费严重，或访问行为不一致等情况。

类似于数据库连接实例，我们可能频繁使用，但是创建它所需要的开销又比较大，这时只使用一个数据库连接就可以节约很多开销。一些文件的读取场景也类似，如果文件比较大，那么文件读取就是一个比较重的操作。比如这个文件是一个配置文件，那么完全可以将读取到的文件内容缓存一份，每次来读取的时候访问缓存即可，这样也可以达到节约开销的目的。

在类似场景中，这些例子有以下特点：

1、每次访问者来访问，返回的都是同一个实例；

2、如果一开始实例没有创建，那么这个特定类需要自行创建这个实例；

2. 实例的代码实现

如果你是一个前端，那么你肯定知道浏览器中的 window 和 document 全局变量，这两个对象都是单例，任何时候访问他们都是一样的对象，window表示包含 DOM 文档的窗口，document 是窗口中载入的 DOM 文档，分别提供了各自相关的方法。

在ES6 新增语法的 Module 模块特性，通过 import/export 导出模块中的变量是单例的，也就是说，如果在某个地方改变了模块内部变量的值，别的地方再引用的这个值是改变之后的。除此之外，项目中的全局状态管理模式 Vuex、Redux、MobX 等维护的全局状态，vue-router、react-router 等维护的路由实例，在单页应用的单页面中都属于单例的应用（但不属于单例模式的应用）。

{ a: 1 } === { a: 1 } 		// false

那么问题来了，如何对构造函数使用 new 操作符创建多个对象时，仅获取同一个单例对象呢。

对于刚刚打经营游戏的例子，我们可以用 JavaScript 来实现一下：

// 判断是否已经有单例了
function ManageGame() {
    if (ManageGame._schedule) {        
        return ManageGame._schedule
    };
    ManageGame._schedule = this;
};

ManageGame.getInstance = function () {
    // 判断是否已经有单例了
    if (ManageGame._schedule) {        
        return ManageGame._schedule
    };
    return ManageGame._schedule = new ManageGame();
};

const schedule1 = new ManageGame();
const schedule2 = ManageGame.getInstance();

console.log(schedule1 === schedule2);
// true

稍微解释一下，这个构造函数在内部维护（或者直接挂载自己身上）一个实例，第一次执行 new 的时候判断这个实例有没有创建过，创建过就直接返回，否则走创建流程。我们可以用 ES6 的 class 语法改造一下：

class ManageGame {
    
    static _schedule = null;

    static getInstance() {
        if (ManageGame._schedule) {        
            // 判断是否已经有单例了
            return ManageGame._schedule
        };
        return ManageGame._schedule = new ManageGame();
    };

    constructor() {
        if (ManageGame._schedule) {        
            // 判断是否已经有单例了
            return ManageGame._schedule;
        };
        ManageGame._schedule = this;
    }
};

const schedule1 = new ManageGame();
const schedule2 = ManageGame.getInstance();
console.log(schedule1 === schedule2);	
// true

上面方法的缺点在于维护的实例作为静态属性直接暴露，外部可以直接修改。

3. 单例模式的通用实现

根据上面的例子提炼一下单例模式，游戏可以被认为是一个特定的类（Singleton），而存档是单例（instance），每次访问特定类的时候，都会拿到同一个实例。主要有下面几个概念：

1、 Singleton：特定类，这是我们需要访问的类，访问者要拿到的是它的实例；

2、 instance：单例，是特定类的实例，特定类一般会提供getInstance方法来获取该单例；

3、 getInstance：获取单例的方法，或者直接由new操作符获取；

这里有几个实现点要关注一下：

1、访问时始终返回的是同一个实例；

2、自行实例化，无论是一开始加载的时候就创建好，还是在第一次被访问时；

3、一般还会提供一个getInstance方法用来获取它的实例；

结构大概如下图：

3.1. IIFE 方式创建单例模式

简单实现中，我们提到了缺点是实例会暴露，那么这里我们首先使用立即调用函数 IIFE 将不希望公开的单例实例 instance 隐藏。

const Singleton = (function () {
    // 存储单例
    let _instance = null;

    const Singleton = function () {
        // 判断是否已有单例
        if (_instance) return _instance;
        _instance = this;
        // 初始化操作
        this.init();
        return _instance;
    };

    Singleton.prototype.init = function () {
        this.foo = 'Singleton Pattern';
    };

    return Singleton;
    
})();

const visitor1 = new Singleton();
const visitor2 = new Singleton();

console.log(visitor1 === visitor2);
// true

这样一来，虽然仍使用一个变量 _instance 来保存单例，但是由于在闭包的内部，所以外部代码无法直接修改。

在这个基础上，我们可以继续改进，增加 getInstance 静态方法：

const Singleton = (function () {
    // 存储单例
    let _instance = null;

    const Singleton = function () {
        // 判断是否已有单例
        if (_instance) return _instance;
        _instance = this;
        // 初始化操作
        this.init();
        return _instance;
    };

    Singleton.prototype.init = function () {
        this.foo = 'Singleton Pattern';
    };

    Singleton.getInstance = function () {
        if (_instance) return _instance;
        _instance = new Singleton();
        return _instance;
    };

    return Singleton;
    
})();

const visitor1 = new Singleton();
const visitor2 = new Singleton();
const visitor3 = Singleton.getInstance();

console.log(visitor1 === visitor2);
// true
console.log(visitor1 === visitor3);
// true

代价和上例一样是闭包开销，并且因为 IIFE 操作带来了额外的复杂度，让可读性变差。

IIFE 内部返回的 Singleton 才是我们真正需要的单例的构造函数，外部的 Singleton 把它和一些单例模式的创建逻辑进行了一些封装。

IIFE 方式除了直接返回一个方法/类实例之外，还可以通过模块模式的方式来进行，就不贴代码了，大家可以自己尝试一下。

3.2. 块级作用域方式创建单例

IIFE 方式本质还是通过函数作用域的方式来隐藏内部作用域的变量，有了 ES6 的 let/const 之后，可以通过 { }块级作用域的方式来隐藏内部变量：

let getInstance = {

    let _instance = null;
    
    // 存储单例
    const Singleton = function () {
        // 判断是否已有单例
        if (_instance) return _instance;

        _instance = this;

        this.init();
        // 初始化操作
        return _instance;
    };

    Singleton.prototype.init = function () {
        this.foo = 'Singleton Pattern';
    };

    getInstance = function () {
        if (_instance) return _instance;
        _instance = new Singleton();
        return _instance;
    };
}

const visitor1 = getInstance();
const visitor2 = getInstance();

console.log(visitor1 === visitor2);
// true

怎么样，是不是对块级作用域的理解更深了呢～

3.3. 单例模式赋能

之前的例子中，单例模式的创建逻辑和原先这个类的一些功能逻辑（比如 init 等操作）混杂在一起，根据单一职责原则，这个例子我们还可以继续改进一下，将单例模式的创建逻辑和特定类的功能逻辑拆开，这样功能逻辑就可以和正常的类一样。

// 功能类 
class FuncClass {
    constructor(bar) { 
        this.bar = bar;
        this.init();
    };
    init() {
        this.foo = 'Singleton Pattern'
    }
};

// 单例模式的赋能类
const Singleton = (function() {
    // 存储单例
    let _instance = null;    
    
    const ProxySingleton = function(bar) {
        // 判断是否已有单例
        if (_instance) return _instance;   
        _instance = new FuncClass(bar);
        return _instance;
    };
    
    ProxySingleton.getInstance = function(bar) {
        if (_instance) return _instance;
        _instance = new Singleton(bar);
        return _instance;
    };
    
    return ProxySingleton;

})();

const visitor1 = new Singleton('单例1');
const visitor2 = new Singleton('单例2');
const visitor3 = Singleton.getInstance();

console.log(visitor1 === visitor2);	
// true
console.log(visitor1 === visitor3);	
// true

这样的单例模式赋能类也可被称为代理类，将业务类和单例模式的逻辑解耦，把单例的创建逻辑抽象封装出来，有利于业务类的扩展和维护。代理的概念我们将在后面代理模式的章节中更加详细地探讨。

使用类似的概念，配合 ES6 引入的 Proxy 来拦截默认的 new 方式，我们可以写出更简化的单例模式赋能方法：

// Person 类
class Person {
    constructor(name, age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
};

// 单例模式的赋能方法 
function Singleton(FuncClass) {
    let _instance;
    return new Proxy(FuncClass, {
        construct(target, args) {
            // 使用 new FuncClass(...args) 也可以
            return _instance || (_instance = Reflect.construct(FuncClass, args)) 
        }
    })
};

const PersonInstance = Singleton(Person);
const person1 = new PersonInstance('张小帅', 25);
const person2 = new PersonInstance('李小美', 23);

console.log(person1 === person2);	
// true

4. 惰性单例、懒汉式－饿汉式

有时候一个实例化过程比较耗费性能的类，但是却一直用不到，如果一开始就对这个类进行实例化就显得有些浪费，那么这时我们就可以使用惰性创建，即延迟创建该类的单例。之前的例子都属于惰性单例，实例的创建都是 new 的时候才进行。

惰性单例又被成为懒汉式，相对应的概念是饿汉式：

1、懒汉式单例是在使用时才实例化；

2、饿汉式是当程序启动时或单例模式类一加载的时候就被创建；

我们可以举一个简单的例子比较一下：

class FuncClass {
    constructor() { this.bar = 'bar' }
};

// 饿汉式
const HungrySingleton = (function() {
    const _instance = new FuncClass();
    return function() {
        return _instance;
    };
})();

// 懒汉式
const LazySingleton = (function() {
    let _instance = null;
    return function() {
        return _instance || (_instance = new FuncClass());
    };
})()

const visitor1 = new HungrySingleton();
const visitor2 = new HungrySingleton();
const visitor3 = new LazySingleton();
const visitor4 = new LazySingleton();

console.log(visitor1 === visitor2);	
// true
console.log(visitor3 === visitor4);	
// true

可以打上 debugger 在控制台中看一下，饿汉式在 HungrySingleton 这个 IIFE 执行的时候就进入到 FuncClass 的实例化流程了，而懒汉式的 LazySingleton 中 FuncClass 的实例化过程是在第一次 new 的时候才进行的。

惰性创建在实际开发中使用很普遍，了解一下对以后的开发工作很有帮助。

5. 源码中的单例模式

以ElementUI 为例，ElementUI 中的全屏 Loading 蒙层调用有两种形式：

// 1. 指令形式
Vue.use(Loading.directive);
// 2. 服务形式
Vue.prototype.$loading = service;

1、指令形式注册，使用的方式<div:v-loading.fullscreen="true"></div>；

2、服务形式注册，使用的方式his.$loading({fullscreen:true})；

用服务方式使用全屏 Loading 是单例的，即在前一个全屏 Loading 关闭前再次调用全屏 Loading，并不会创建一个新的 Loading 实例，而是返回现有全屏 Loading 的实例。

下面我们可以看看 ElementUI 2.9.2 的源码是如何实现的，为了观看方便，省略了部分代码：

import Vue from 'vue';
import loadingVue from './loading.vue';

const LoadingConstructor = Vue.extend(loadingVue);

let fullscreenLoading;

const Loading = (options = {}) => {
    if (options.fullscreen && fullscreenLoading) {
        return fullscreenLoading;
    };

    let instance = new LoadingConstructor({
        el: document.createElement('div'),
        data: options
    });

    if (options.fullscreen) {
        fullscreenLoading = instance
    };
    return instance
};

export default Loading

这里的单例是 fullscreenLoading，是存放在闭包中的，如果用户传的 options的 fullscreen 为 true 且已经创建了单例的情况下则回直接返回之前创建的单例，如果之前没有创建过，则创建单例并赋值给闭包中的 fullscreenLoading 后返回新创建的单例实例。

这是一个典型的单例模式的应用，通过复用之前创建的全屏蒙层单例，不仅减少了实例化过程，而且避免了蒙层叠加蒙层出现的底色变深的情况。

6. 单例模式的优缺点

单例模式主要解决的问题就是节约资源，保持访问一致性。

简单分析一下它的优点：

1、单例模式在创建后在内存中只存在一个实例，节约了内存开支和实例化时的性能开支，特别是需要重复使用一个创建开销比较大的类时，比起实例不断地销毁和重新实例化，单例能节约更多资源，比如数据库连接；

2、单例模式可以解决对资源的多重占用，比如写文件操作时，因为只有一个实例，可以避免对一个文件进行同时操作；

3、只使用一个实例，也可以减小垃圾回收机制GC（GarbageCollecation）的压力，表现在浏览器中就是系统卡顿减少，操作更流畅，CPU资源占用更少；

单例模式也是有缺点的：

1、单例模式对扩展不友好，一般不容易扩展，因为单例模式一般自行实例化，没有接口；

2、与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化；

7. 单例模式的使用场景

那我们应该在什么场景下使用单例模式呢：

1、当一个类的实例化过程消耗的资源过多，可以使用单例模式来避免性能浪费；

2、当项目中需要一个公共的状态，那么需要使用单例模式来保证访问一致性；