单例模式：设计模式之旅的孤独篇章

单例模式：设计模式之旅的孤独篇章

单例模式就像是应用程序的控制塔，确保所有操作都在一个统一的指挥下进行，避免了混乱和资源的浪费。它是创建型模式家族中的独行侠，专注于构建独一无二且可靠的实例，为复杂的软件世界带来秩序与效率。

单例模式的核心价值和定义

单例模式的核心在于确保一个类仅有一个实例，并为整个应用提供一个访问这个实例的全球通道。这就像是城市中心的唯一邮局，所有的信件都从这里发出和收回，确保了邮件处理的简单和高效。它的存在不仅节约了资源，还保证了数据和行为的一致性。

单例模式的主要特点

• 唯一实例：确保一个类在应用程序中只有一个实例，类似于地球上唯一的月亮，避免实例之间的冲突。
• 全局访问点：提供一个全球访问点，无论你身处应用的哪个角落，都能访问到这个唯一的实例，犹如月亮在夜空中的清晰可见。

单例模式与日常生活的类比

想象你所在的城市中心有一个独特的地标，如埃菲尔铁塔或自由女神像，它是唯一的，是共享的记忆。单例模式也是如此，它在软件的每个角落都是可识别的，因为它是唯一的、是共享的。就像每个城市都有一个中央邮局，为全城居民服务，单例模式也为整个应用提供服务，保障系统的高效和有序。

单例模式的结构和组成

在这个章节，我们将一探究竟，揭开单例模式的神秘面纱。让我们从它的构造开始，就像是破解一个古老谜题的第一步。

单例模式的基本结构

单例模式通常涉及以下几个组成部分：

1. 私有的构造函数：确保外部不能直接实例化；
2. 一个私有静态变量（在 TypeScript 中通常是私有静态属性）来持有类的唯一实例；
3. 一个公共的静态方法（通常被命名为 getInstance ）来提供全局访问点。

单例模式的 UML 类图和解读

单例模式的 UML 类图，犹如一本只开了一页的秘籍。在这一页上，清晰地记录了如何严守一座宝藏 —— 那个唯一的类实例。

在这张图中，你会看到：

• 一个类，它的构造函数被私有化，像是秘籍中用密语封锁的咒语。
• 一个私有静态变量，这就像是秘籍中默默守护的宝藏地点，确保只有一份宝藏存在。
• 一个公共静态方法，这如同是一道揭开宝藏的咒语，如果宝藏未被人发现，它会施展魔法召唤出宝藏；如果宝藏已在明处，它则指引你直达宝藏所在。

单例模式的实现

让我们从理论走向实践。下面的 TypeScript 代码展示了如何实现一个单例模式：

function createSingleton<T extends new (...args: any[]) => any>(constructor: T): (...args: ConstructorParameters<T>) => InstanceType<T> {
  // 用来存储实例的变量
  let instance: InstanceType<T>;
  
  // 返回一个新的函数
  return function (...args: ConstructorParameters<T>): InstanceType<T> {
    // 如果实例不存在，则创建一个新的实例
    if (!instance) {
      instance = new constructor(...args);
    }
    // 返回实例
    return instance;
  };
}

1. createSingleton 函数接收一个构造函数作为参数；
2. 它返回一个新的函数。这个新的函数会检查是否已经存在一个实例：
   • 如果存在，它就返回这个已经存在的实例；
   • 如果不存在，它就创建一个新的实例，然后返回这个新的实例。

通过这种方式，无论我们尝试创建多少次实例，我们总是得到同一个实例，正如单例模式所承诺的。

单例模式的实战演练 —— 全局状态管理器

在我们的软件世界里，状态就像海上航行的船只，它们需要在有序且明确的指引下安全航行。但如果每个组件都试图独自导航，那就像是每个船长都在尝试自己控制灯塔——这无异于混乱！此时，我们就需要一个全局状态管理器，充当整个应用的灯塔，引导状态的安全流动。

案例背景介绍

在复杂的前端应用中，组件的状态管理就像海上的航行，每个组件都可能有自己的方向，而它们之间的状态可能需要共享和同步。如果每个组件都试图独立导航，很快就会变得难以控制。这就是为什么全局状态管理器成为软件航海中不可或缺的灯塔。它提供了一个中心位置，用于管理和同步整个应用的状态，就像海港的灯塔，为航行的船只指明方向。

单例模式在状态管理中的应用

在这里，单例模式犹如灯塔中的灯光，独一无二且至关重要。它确保我们的全局状态管理器是唯一的，像是整个软件海域中心的灯塔。无论你身处软件的哪个角落，都通过这个唯一的灯塔来管理状态，确保所有的状态变化都是有序的、可预测的。

代码演示

接下来，我们将通过代码来演示如何使用单例模式创建和使用一个全局状态管理器。

首先，我们定义了一个 Store 类，它负责管理状态、执行变更和处理动作：

class Store<S extends object = State, M extends Mutations<S> = Mutations<S>, A extends Actions<S> = Actions<S>> {
  private state: S;
  private mutations: M;
  private actions: A;

  // 在构造函数中，初始化状态、变更和动作。
  constructor(options: StoreOptions<S, M, A>) {
    this.state = reactive(options.state) as S;
    this.mutations = options.mutations;
    this.actions = options.actions;
  }

  // getState 方法返回当前的状态。
  getState(): S {
    return this.state;
  }

  // commit 方法用于调用一个变更。它接受一个变更类型和一个负载。
  commit(type: string, payload: any): void {
    const mutation = this.mutations[type];
    if (!mutation) {
      throw new Error(`Mutation "${type}" does not exist`);
    }
    mutation(this.state, payload);
  }
    
  // dispatch 方法用于调用一个动作。它接受一个动作类型和一个负载。
  dispatch(type: string, payload: any): void {
    const action = this.actions[type];
    if (!action) {
      throw new Error(`Action "${type}" does not exist`);
    }
    action({ state: this.state, commit: this.commit.bind(this) }, payload);
  }
}

然后，我们使用 createSingleton 函数，来确保我们的 Store 实例是唯一的：

// 创建一个单例的 Store 实例
const store = createSingleton(Store<State>)({
  // 状态的定义
  state: {
    count: 0
  },
  // 变更的定义
  mutations: {
    increment(state, payload) {
      state.count += payload;
    }
  },
  // 动作的定义
  actions: {
    incrementAsync({ commit }, payload) {
      commit('increment', payload);
    }
  },
});

最后，在我们的 Vue 组件中，我们可以这样使用这个全局状态管理器：

<script setup lang="ts">
import { computed } from 'vue';
import { store } from '@/stores'

// 定义一个计算属性，它返回 store 的 count 状态
const count = computed(() => store.getState().count);

// 使用store的方法来更改状态
const increment = () => {
  store.commit('increment', 1);
};

const decrement = () => {
  store.dispatch('incrementAsync', -1);
};

</script>

<template>
 <div class="flex items-center justify-center h-screen bg-gray-100">
    <div class="p-6 bg-white shadow-md rounded-md">
      <h2 class="text-2xl font-bold mb-4 text-gray-700">Counter</h2>
      <div class="flex items-center space-x-4">
        <button @click="decrement" class="px-4 py-2 bg-red-500 text-white rounded">-</button>
        <span class="text-xl font-bold text-gray-700">{{ count }}</span>
        <button @click="increment" class="px-4 py-2 bg-green-500 text-white rounded">+</button>
      </div>
    </div>
  </div>
</template>

通过这些代码，我们演示了如何使用单例模式来创建一个高效、可靠的全局状态管理器。这个状态管理器就像是我们软件海域的中央灯塔，它确保状态的流动是有序且安全的，引导着每一个状态船只安全航行。

单例模式的实际案例研究

咱们刚刚设计了一座灯塔（单例模式），现在让我们看看它在实际航海中是如何照亮船只的。我们要分析的不是普通的代码，而是那些在优秀框架中发挥着关键作用的代码。这次，我们的焦点是 Vuex，一个著名的 Vue.js 状态管理库。Vuex 使用单例模式来管理应用的状态，确保整个应用中的状态是统一的、可预测的。

Vuex 库中单例模式的应用分析

在 Vuex 中，单例模式不仅仅是一个模式，它是整个状态管理的心脏。这里有一个中央存储库（Store），它是整个应用的状态的唯一源头。每个组件都通过这个中央存储库进行通信，无论它们在应用中的位置如何。想象一下，这就像是一个大型机场的中央控制塔，所有飞机（组件）都遵循它的指挥。

源码解析

在 Vuex 中，Store 类是全局状态管理的核心。Store 的构造函数负责初始化全局状态，注册 mutations、actions 和 getters，并将整个应用的状态连接起来。

以下是构造函数的关键部分：

function createStore (options) {
  return new Store(options)
}

class Store {
  constructor (options = {}) {    
    this._committing = false
    this._actions = Object.create(null)
    this._actionSubscribers = []
    this._mutations = Object.create(null)
    this._wrappedGetters = Object.create(null)
    this._modules = new ModuleCollection(options)
    this._modulesNamespaceMap = Object.create(null)
    this._subscribers = []
    this._makeLocalGettersCache = Object.create(null)
    
    // 绑定 commit 和 dispatch 方法 
    const { dispatch, commit } = this
    this.dispatch = function boundDispatch (type, payload) {
      return dispatch.call(store, type, payload)
    }
    this.commit = function boundCommit (type, payload, options) {
      return commit.call(store, type, payload, options)
    }
  
    const state = this._modules.root.state
  
    // 初始化根模块，递归注册所有子模块，并收集所有模块的 getters
    installModule(this, state, [], this._modules.root)
  
    // 初始化 store 状态，负责响应性（也将 _wrappedGetters 注册为计算属性）
    resetStoreState(this, state)
  
    // 应用插件
    plugins.forEach(plugin => plugin(this))
  }
    
  install (app, injectKey) {
    // ... 安装 Vuex 的代码 ...
  }
  
  // 其他方法
  // ...
}

在这段代码中，我们看到了 Vuex 的 Store 类。这个 Store 类是应用的中央存储库。当你调用 createStore 方法时，Vuex 确保创建了一个 Store 实例，这个实例是整个应用状态的唯一源头。

• this._actions, this._mutations 等属性用于存储状态更改的逻辑。
• installModule 负责注册所有模块，确保状态管理的模块化。
• resetStoreState 负责初始化状态，保证状态的响应性。
• plugins.forEach(plugin => plugin(this)) 允许开发者通过插件扩展 Vuex 的功能。

让我们再深入一些，看看 Store 类中的 commit 和 dispatch 方法。这两个方法是 Vuex 状态管理的核心。commit 用于执行同步操作，而 dispatch 用于执行异步操作。但不管是哪种操作，都是通过这个唯一的 Store 实例来协调的。

单例模式的实际应用场景

单例模式在软件开发中有着广泛的应用。它通过确保一个类只有一个实例，简化了对全局资源的管理。以下是一些软件开发中的典型应用：

• 配置管理器：保证整个应用中只有一个配置管理器，方便各个组件获取和使用配置信息。
• 日志记录器：通过一个全局的日志记录器统一管理日志，简化日志维护并提高性能。
• 线程池：控制线程数量，避免频繁创建和销毁线程，提高系统资源利用率和性能。
• 缓存管理：全局缓存实例统一管理数据缓存，提高数据访问速度，减少数据库压力。
• 硬件接口访问：对于访问打印机、串口等硬件资源，使用单例保证全局只有一个访问实例，避免冲突。

如何识别单例模式适用的场景

要识别单例模式的适用场景，关键是找到需要全局唯一实例的情形。以下是一些判断依据：

• 类控制着某项资源或服务，并且整个应用中只应存在一个“访问点”。
• 你在编写代码以“确保只创建一个实例”，这通常是使用单例模式的迹象。
• 管理全局状态时，如前端框架中的状态管理。

单例模式的缺点与应对策略

单例模式虽强大，但也有局限，如全局状态管理的问题和单元测试的困难。

应对策略 —— 依赖注入

• 控制单例创建：通过私有构造函数和公共静态方法，严格控制单例的创建和访问。
• 使用依赖注入：在单元测试中，用依赖注入替换单例实例，以提高测试的便利性。
• 限制修改全局状态：通过明确定义的方法修改状态，避免直接修改全局状态。

在单元测试中，使用依赖注入来替换单例实例是解决测试问题的有效策略。它不仅提高了代码的灵活性和可测试性，还保留了单例模式的核心优势。看看以下的依赖注入示例：

class DIContainer {
  private static instances: Record<string, any> = {};

  // 注册方法，用于注册单例实例
  public static register<T>(key: string, creator: () => T): void {
    if (!DIContainer.instances[key]) {
      DIContainer.instances[key] = creator();
    }
  }

  // 解析方法，用于获取单例实例
  public static resolve<T>(key: string): T {
    if (!DIContainer.instances[key]) {
      throw new Error(`No instance found for key: ${key}`);
    }
    return DIContainer.instances[key];
  }
}

// 示例：创建 Store 实例并注册
function createStoreInstance() {
  return new Store<State>({
    state: { count: 0 },
    // ... 其他状态和方法 ...
  });
}

// 创建 Store 实例并注册到 DIContainer
DIContainer.register<Store<State>>('Store', createStoreInstance);

// 在 Vue 组件中通过 DIContainer 获取 Store 实例
const store = DIContainer.resolve<Store<State>>('Store');

在这个示例中，DIContainer 提供了灵活的单例管理方式。我们可以根据需要在开发和测试环境中注册和解析不同的实例。这样既保留了单例模式的优势，也增强了代码的灵活性和可测试性。

单例模式的精华回顾与价值再认识

单例模式以其独特的方式确保一个类只有一个实例，并提供一个全球访问点。它不仅保证了全局状态的一致性，还大大减少了资源的消耗。通过我们的全局状态管理器和 Vuex 的案例，我们看到了单例模式在实际项目中的强大应用。但同时，我们也认识到了它的挑战，以及如何通过依赖注入等策略来克服这些挑战。