单例设计模式（Objective-C）【Singleton Design Pattern】

本文将以 Objective-C 语言为媒介，介绍单例模式的原理、其在 iOS 开发当中的应用以及一些编写单例代码的技巧。

Demo

概念

单例：即单独的实例。

单例模式：以单例为核心的设计模式。在它的核心结构中只包含一个特殊类（即单例）。通过单例模式可以保证系统中，应用该模式的类一个类只有一个对象实例。

单例类：即按照单例设计模式来设计的类，整个程序中只会存在一个此类的实例，且提供一个类方法的入口来访问这个实例。是 iOS 开发对于单例模式的主要应用场景。

单例类的生命周期：程序于编译时初始化单例类，并存于内存（全局区域）中，直到程序退出时由系统自行释放。

在 iOS 系统中，有如下几个典型的单例类：

类对象（在应用程序范围内，每个类的 Class 仅有一个实例）
UIApplication
NSNotificationCenter
NSFileManager
NSUserDefaults
NSURLCache
NSHTTPCookieStorage

单线程单例

static Singleton_SingleThread *instance;

+ (instancetype)sharedInterface {
    if (!instance) {
        instance = [[self alloc] init];
    }
    return instance;
}

最简单直观的单例模式类，在第一次访问单例接口 + (instancetype)sharedInterface 的时候创建一个实例，之后再次访问则返回已创建好的实例。

但在多线程的环境下，同时访问单例接口的时候容易创建多个实例，造成不可控的风险。基于此，单线程单例很少应用于开发当中。

同步锁单例

为了解决单线程单例在多线程环境下明显的缺点，首先会想到加锁，利用 @synchronized，就有了下面这种同步锁单例。

static Singleton_Lock *instance;

+ (instancetype)sharedInterface {
    @synchronized (self) {
        if (!instance) {
            instance = [[self alloc] init];
        }
    }
    return instance;
}

如此一来，就解决了多线程环境下访问单例接口的问题。但这还不够好，因为多个线程同时访问 @synchronized 中的代码时，只有一个线程会被放行，而其他的都需要等待，造成了一定程度的性能消耗。这样的阻塞是没有必要的，因为只有当 instance 没有被创建时，加锁才有意义，一旦 instance 被创建，锁自然就成了负担。

GCD单例

为了解决 @synchronized 的性能问题，GCD为我们提供了一套简单又粗暴的单例类实现方案，即 dispatch_once。

static Singleton_GCD *instance;

+ (instancetype)sharedInterface {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        instance = [[self alloc] init];
    });
    return instance;
}

原理是这样的：

static 表示 instance 将作为静态变量存入内存当中。
dispatch_once_t 类型其实就是 long 类型（typedef long dispatch_once_t;）。
onceToken 是 dispatch_once 来判断内部代码是否执行过的标志位。
当 onceToken 为 0 时，线程执行 block 中的代码。
当 onceToken 为 -1 时，线程跳过 block 中的代码。
当 onceToken 为其他任何可能的值时，线程被阻塞，等待 onceToken 的值发生变化。
A线程首先调用单例接口，先改变 onceToken 的值为一个任意值，再执行 block 中的代码（此时若其他线程也想执行 block 中的代码，则会因为判定 onceToken 的值而阻塞在外部），最后执行完 block，将 onceToken的值置为 -1，其他线程直接跳过 block。
这样的模式只会在首次实例时阻塞线程，一旦实例创建完毕（此时 onceToken 已变为 -1），就不会再阻塞线程，而是直接跳过 block。

结语

单例模式是一种非常好用且常见的设计模式，而在 iOS 开发中，使用 GCD 来创建单例类，是目前的最佳方案。

单例的优点很明显，节约系统开支，提升程序运行的效率，且开发者可以凭借单例特有的唯一性来定位 bug。

但仍需注意的是，正因为单例独有的一旦创建就只有一份（地址不会变）的特性，导致我们无法手动销毁这个单例，这块内存只能由系统去释放。这就意味着，单例一旦处于闲置状态，那么它就是一个单纯的资源消耗者。所以，一个程序不应该有太多的单例，否则将会占用大量的内存。