iOS设计模式(02):单例模式

iOS设计模式(02):单例模式

singleton-design-pattern

什么是单例模式？

单例模式是一个类在系统中只有一个实例对象。通过全局的一个入口点对这个实例对象进行访问。在iOS开发中，单例模式是非常有用的一种设计模式。如下图，是一个单例模式的UML类图。

singleton_uml_class_structure

iOS SDK中也有许多类使用了单例模式，例如，UIApplication：当程序启动的时候，会调用UIApplicationMain方法，在该方法中，会实例化一个UIApplication对象，之后在程序中的任意地方调用sharedApplication方法都将返回一个与当前应用程序相关的UIApplication实例（UIApplicationMain方法中创建的UIApplication单例）。

什么时候使用单例模式？

在程序中，单例模式经常用于只希望一个类只有一个实例，而不运行一个类还有两个以上的实例。当然，在iOS SDK中，根据特定的需求，有些类不仅提供了单例访问的接口，还为开发者提供了实例化一个新的对象接口，例如，NSFileManager可以通过defaultManager方法返回相同的一个NSFileManager对象。如果需要新的一个NSFileManager实例对象，可以通过init方法。

iOS中单例模式的实现

iOS中单例模式的实现方式一般分为两种：Non-ARC(非ARC)和ARC+GCD。

1. Non-ARC(非ARC)

非ARC的实现方法如下所示：

BVNonARCSingleton.h

//
//  BVNonARCSingleton.h
//  SingletonPattern
//
//  Created by BeyondVincent on 13-5-9.
//  Copyright (c) 2013年 BeyondVincent. All rights reserved.
//

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface BVNonARCSingleton : NSObject

@property  ( nonatomic, retain) NSString  *tempProperty;
+ (BVNonARCSingleton *)sharedInstance; 

@end

BVNonARCSingleton.m

//
//  BVNonARCSingleton.m
//  SingletonPattern
//
//  Created by BeyondVincent on 13-5-9.
//  Copyright (c) 2013年 BeyondVincent. All rights reserved.
//

#import "BVNonARCSingleton.h"

@implementation BVNonARCSingleton

static BVNonARCSingleton *sharedInstance = nil;

// 获取一个sharedInstance实例，如果有必要的话，实例化一个
+ (BVNonARCSingleton *)sharedInstance {
    if (sharedInstance == nil) {
        sharedInstance = [[super allocWithZone:NULL] init];
    }

    return sharedInstance;
}

// 当第一次使用这个单例时，会调用这个init方法。
- (id)init
{
    self = [super init];

    if (self) {
        // 通常在这里做一些相关的初始化任务
    }

    return self;
}

// 这个dealloc方法永远都不会被调用--因为在程序的生命周期内容，该单例一直都存在。（所以该方法可以不用实现）
-(void)dealloc
{
    [super dealloc];
}

// 通过返回当前的sharedInstance实例，就能防止实例化一个新的对象。
+ (id)allocWithZone:(NSZone*)zone {
    return [[self sharedInstance] retain];
}

// 同样，不希望生成单例的多个拷贝。
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    return self;
}

// 什么也不做——该单例并不需要一个引用计数（retain counter）
- (id)retain {
    return self;
}

// 替换掉引用计数——这样就永远都不会release这个单例。
- (NSUInteger)retainCount {
    return NSUIntegerMax;
}

// 该方法是空的——不希望用户release掉这个对象。
- (oneway void)release {

}

//除了返回单例外，什么也不做。
- (id)autorelease {
    return self;
}

@end

实际上上面的代码苹果官网也有提供：Creating
a Singleton Instance，只不过没有给出头文件的定义。上面用非ARC实现单例的方法是线程不安全的，如果有多个线程同时调用sharedInstance方法获取一个实例，而sharedInstance方法需要花费1-2秒钟的时间，那么BVNonARCSingleton的init方法就可能会被多次调用，也就是不同线程获得的BVNonARCSingleton有可能不是同一个实例。怎么解决线程的不安全呢？答案是使用@synchronized来创建互斥锁即可。

// 保证在实例化的时候是线程安全的（当然，该方法不能保证该单例中所有方法的调用都是线程安全的）
@synchronized (self)
{
    if(sharedInstance == nil)
    {
        sharedInstance = [[super allocWithZone:NULL] init];
    }
}

通过上面的代码就能保存线程安全。

提醒：在iOS中，一般不建议使用非ARC来实现单例模式。更好的方法是使用ARC+GCD来实现。

1. ARC+GCD

通过ARC+GCD的方法来实现单例模式的非常简单的。下面先来看看具体实现：

BVARCSingleton.h

//
//  BVARCSingleton.h
//  SingletonPattern
//
//  Created by BeyondVincent on 13-5-9.
//  Copyright (c) 2013年 BeyondVincent. All rights reserved.
//

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface BVARCSingleton : NSObject

@property  ( nonatomic, weak) NSString  *tempProperty;
+ (BVARCSingleton *)sharedInstance;

@end

BVARCSingleton.m

//
//  BVARCSingleton.m
//  SingletonPattern
//
//  Created by BeyondVincent on 13-5-9.
//  Copyright (c) 2013年 BeyondVincent. All rights reserved.
//

#import "BVARCSingleton.h"

@implementation BVARCSingleton

+ (BVARCSingleton *) sharedInstance
{
    static  BVARCSingleton *sharedInstance = nil ;
    static  dispatch_once_t onceToken;  // 锁
    dispatch_once (& onceToken, ^ {     // 最多调用一次
        sharedInstance = [[self  alloc] init];
    });
    return  sharedInstance;
}

// 当第一次使用这个单例时，会调用这个init方法。
- (id)init
{
    self = [super init];

    if (self) {
        // 通常在这里做一些相关的初始化任务
    }

    return self;
}

@end

在上面的代码中，调用Grand
Central Dispatch (GCD)中的dispatch_once方法就可以确保BVARCSingleton只被实例化一次。并且该方法是线程安全的，我们不用担心在不同的线程中，会获得不同的实例。（当然，该方法同样不能保证该单例中所有方法的调用都是线程安全的）。

当然，在ARC中，不用GCD也是可以做到线程安全的，跟之前非ARC代码中使用@synchronized一样，如下代码：

// 不使用GCD，通过@synchronized
@synchronized (self)
{
    if(sharedInstance == nil)
    {
        sharedInstance = [[self alloc] init];
    }
}

为了简化使用ARC+GCD来创建单例，可以定义下面这样的一个宏：

#define DEFINE_SHARED_INSTANCE_USING_BLOCK(block) \
static dispatch_once_t onceToken = 0; \
__strong static id sharedInstance = nil; \
dispatch_once(&onceToken, ^{ \
sharedInstance = block(); \
}); \
return sharedInstance; \

实例化的实现方法如下所示：

+ (BVARCSingleton *) sharedInstance
{
    DEFINE_SHARED_INSTANCE_USING_BLOCK(^{
        return [[self alloc] init];
    });
}

单例的使用

单例的使用方法很简单，在代码中的任意位置，如下使用即可：

在BVAppDelegate.m中添加头文件：

#import "BVNonARCSingleton.h"
#import "BVARCSingleton.h"

如下使用方法：

- (BOOL)application:(UIApplication *)application didFinishLaunchingWithOptions:(NSDictionary *)launchOptions
{
    [BVNonARCSingleton sharedInstance].tempProperty = @"非ARC单例的实现";
    NSLog(@"%@", [BVNonARCSingleton sharedInstance].tempProperty);

    [BVARCSingleton sharedInstance].tempProperty = @"ARC单例的实现";
    NSLog(@"%@", [BVARCSingleton sharedInstance].tempProperty);

    return YES;
}

运行程序，会在控制台窗口输出如下内容：

2013-05-09 16:44:07.649 SingletonPattern[5159:c07] 非ARC单例的实现
2013-05-09 16:44:33.204 SingletonPattern[5159:c07] ARC单例的实现

代码实例

本文涉及到的相关实例代码和PDF归档可以到点击下图下载：

代码下载 
          pdf-icon

参考

本文在写作的时候，参考了许多网上的优秀文章，包括如下：

What
Is the Singleton Pattern?（Pro Objective-C Design Patterns for iOS书中对单例模式的介绍）

ios-patterns-singleton（需*，是俄文的）

Singletons
in Objective-C

Implementing
a Singleton in Objective-C / iOS

Grand
Central Dispatch (GCD) Reference（dispatch_once的介绍）

使用GCD（来自唐巧的一篇文章，对GCD总结不错）

Threading
Programming Guide（@synchronized关键字的介绍）

Cocoa
Fundamentals Guide（苹果官方给的一个非ARC单例实现）

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本文由破船原创

转载请注明出处：BeyondVincent的博客

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