Javascript乱弹设计模式系列(6) － 单件模式(Singleton)

前言

博客园谈设计模式的文章很多，我也受益匪浅，包括TerryLee、吕震宇等等的.NET设计模式系列文章，强烈推荐。对于我，擅长于前台代码的开发，对于设计模式也有一定的了解，于是我想结合Javascript来设计前台方面的“设计模式”，以对后台“设计模式”做个补充。开始这个系列我也诚惶诚恐，怕自己写得不好，不过我也想做个尝试，一来希望能给一些人有些帮助吧，二来从写文章中锻炼下自己，三来通过写文章对自己增加自信；如果写得不好，欢迎拍砖，我会虚心向博客园高手牛人们学习请教；如果觉得写得还可以，谢谢大家的支持了:)

这篇主要对于单件模式的各种代码形式进行归纳总结。可能大家没有经意，实际上，单件模式也许是我们日常前端JS开发中使用频率最高的设计模式了。

 

概述

在软件系统中，总有一些类只能或者必须产生一个实例对象，比如线程池，缓存，注册表等等；对于这种类，如果产生多个实例对象，就会出现各种异常状况；对于这种对象只要创建一次并且分配一次内存空间即可，所以这里也有个问题，对象所分配的内存空间的消耗，对于长期不使用的对象，这就产生资源浪费，所以利用单件模式，也可以按照需要来创建对象。

 

定义

单件模式确保一个类只有一个实例，并且提供一个全局访问点。 

类图

分析

首先我们考虑到传统的编程语言如C#，单件模式中设置一个静态变量，可以这样表示：

public sealed class Singleton
{
    static Singleton instance = null;
    //
}

Singleton的构造函数设置为私有，防止Singleton多次实例化，这样就可以有以下的静态方法：

public static Singleton Instance
{
    get
    {
        if (instance == null)
        {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这样只有在第一次实例化的时候，才创建对象；通过静态方法，得到唯一实例；

这个是C#中最简单的单件模式写法。而Javascript作为弱类型语言，有着它独特的地方，现在我就来介绍Javascript单件模式的几种形式：

1. 最基本的单件模式

var LoginUser = {
    name : "匿名用户",
    sex : "保密",
    setName : function(name){
        this.name = name;
    },
    setSex : function(sex){
        this.sex = sex;
    },
    getUserInfo : function() {
        return "用户名：" + this.name + "；性别：" +this.sex;
    }
}

这里定义了一个对象(LoginUser)，对象中包含了各种属性(name,sex)和方法(setName,setSex,getUserInfo)；

这样我新建一个HTML页面：

<script type="text/javascript">
//
window.onload = function() {
    alert(LoginUser.getUserInfo());
    LoginUser.setName("Leepy");
    LoginUser.setSex("男");
    //alert(LoginUser.getUserInfo());
}
function test() {
    alert(LoginUser.getUserInfo());
}
</script>
<input type="button" value="test" onclick="test();" />

可以发现，界面初始化时弹出的警告框为“用户名：匿名用户；性别：保密”，通过setName和setSex方法之后，点击按钮后弹出的警告框为“用户名：Leepy；性别：男”，说明在不同的方法作用域下，LoginUser保持着修改后的状态，因此LoginUser在页面中就保持着单一的状态。

我想大家一定也听过prototype的JS框架了吧（http://www.prototypejs.org），最新版本为（http://www.prototypejs.org/assets/2008/9/29/prototype-1.6.0.3.js），实际上在它的文件中包含着很多这样类似的代码，比如从文件一开头就可以发现：

var Prototype = {
  Version: '1.6.0.3', 

  Browser: {
    IE:     !!(window.attachEvent &&
      navigator.userAgent.indexOf('Opera') === -1),
    Opera:  navigator.userAgent.indexOf('Opera') > -1,
    WebKit: navigator.userAgent.indexOf('AppleWebKit/') > -1,
    Gecko:  navigator.userAgent.indexOf('Gecko') > -1 &&
      navigator.userAgent.indexOf('KHTML') === -1,
    MobileSafari: !!navigator.userAgent.match(/Apple.*Mobile.*Safari/)
  }, 

  BrowserFeatures: {
    XPath: !!document.evaluate,
    SelectorsAPI: !!document.querySelector,
    ElementExtensions: !!window.HTMLElement,
    SpecificElementExtensions:
      document.createElement('div')['__proto__'] &&
      document.createElement('div')['__proto__'] !==
        document.createElement('form')['__proto__']
  }, 

  ScriptFragment: '<script[^>]*>([\\S\\s]*?)<\/script>',
  JSONFilter: /^\/\*-secure-([\s\S]*)\*\/\s*$/, 

  emptyFunction: function() { },
  K: function(x) { return x }
};
//以下是它的使用
if (Prototype.Browser.MobileSafari)
  Prototype.BrowserFeatures.SpecificElementExtensions = false;

可以看出，Version、Browser、BrowserFeatures、ScriptFragment、JSONFilter作为Prototype对象的属性，而emptyFUnction、K作为Prototype对象的方法；因此它就是一个最基本的单件模式。

由于Javascript的语言特性，可以在后期动态添加，删除，修改属性：

如：LoginUser.age = 24;  那么LoginUser对象便增加了age属性；而如：delete LoginUser.name; 那么LoginUser对象就删除了name属性；而如：LoginUser.name = "cnblogs"; 那么LoginUser对象的“私有”属性不需要通过setName的“公有”方法仍然能够做出修改。

因为根据设计模式原则：对扩展开放而对修改关闭，显然违背了该条准则。为了防止这种情况的发生，到时候会引入闭包的方式，稍后会说明。

2. 命名空间的单件模式

命名空间可以很好地划分 属性和方法 的归属，以及可以防止 属性和方法 被轻易的修改，通过访问各自的命名空间得到对应我们想要的 属性和方法。这里还是以上面的LoginUser为例：

var LoginUser = {
    name : "匿名用户",
    sex : "保密",
    setName : function(name){
        this.name = name;
    },
    setSex : function(sex){
        this.sex = sex;
    },
    getUserInfo : function() {
        return "用户名：" + this.name + "；性别：" +this.sex;
    }
}
LoginUser.Mother = {
    name : "母亲姓名",
    career : "职位",
    setName : function(name){
        this.name = name;
    },
    setCareer : function(career){
        this.career = career;
    },
    getUserInfo : function() {
        return LoginUser.name + "的母亲名字：" + this.name + "；职业：" +this.career;
    }
}

从代码中看出，这里我把LoginUser作为“命名空间”，而LoginUser.Mother作为它的一个“全局变量”，这样做的好处可以防止LoginUser的属性和方法被轻易地覆盖，通过LoginUser.××××，以致于LoginUser.××××.××××（如LoginUser.Mother.Brother）来划分 属性和方法 的归属，如LoginUser中的name属性和LoginUser.Mother中的name属性是区分开来的。

这样我新建一个HTML页面：

<script type="text/javascript"> 
// 
window.onload = function() {
    LoginUser.setName("Leepy");
    LoginUser.Mother.setName("admin");
    LoginUser.Mother.setCareer("农民");
    alert(LoginUser.Mother.getUserInfo());
}
</script>

可以得到下面的弹出框：

 LoginUser和LoginUser.Mother的name属性已经区分开来了。

在prototype.js文件中也用到命名空间的单件模式：

var Class = {
  create: function() {
    var parent = null, properties = $A(arguments);
    if (Object.isFunction(properties[0]))
      parent = properties.shift();

    function klass() {
      this.initialize.apply(this, arguments);
    }

    Object.extend(klass, Class.Methods);
    klass.superclass = parent;
    klass.subclasses = [];

    if (parent) {
      var subclass = function() { };
      subclass.prototype = parent.prototype;
      klass.prototype = new subclass;
      parent.subclasses.push(klass);
    }

    for (var i = 0; i < properties.length; i++)
      klass.addMethods(properties[i]);

    if (!klass.prototype.initialize)
      klass.prototype.initialize = Prototype.emptyFunction;

    klass.prototype.constructor = klass;

    return klass;
  }
};

Class.Methods = {
  addMethods: function(source) {
    var ancestor   = this.superclass && this.superclass.prototype;
    var properties = Object.keys(source);

    if (!Object.keys({ toString: true }).length)
      properties.push("toString", "valueOf");

    for (var i = 0, length = properties.length; i < length; i++) {
      var property = properties[i], value = source[property];
      if (ancestor && Object.isFunction(value) &&
          value.argumentNames().first() == "$super") {
        var method = value;
        value = (function(m) {
          return function() { return ancestor[m].apply(this, arguments) };
        })(property).wrap(method);

        value.valueOf = method.valueOf.bind(method);
        value.toString = method.toString.bind(method);
      }
      this.prototype[property] = value;
    }

    return this;
  }
};

这里实际上Class.create实现的是类的继承，具体这里我就不再阐述了，大家可以查看prototype官方的Api文档。

3. 闭包方式的单件模式

如果要得到真正意义上的“私有”成员，那么闭包方式是构造单件模式的一种选择。通过闭包的方式，只暴露一些可以公开的方法或者属性，而私有成员只在内部实现操作，而所有的属性和方法只需要实例化一次。现在开始继续看LoginUser的例子,闭包方式单件模式(左)对比第1条基本单件模式(右)的例子：

var LoginUser = (function(){     var _name = "匿名用户";     var _sex = "保密";     return {         setName : function(name){             _name = name;         },         setSex : function(sex){             _sex = sex;         },         getUserInfo : function(){             return "用户名：" + _name + "；性别：" + _sex;         },         getName : function(){             return _name;         }     }; })();

var LoginUser = {     _name : "匿名用户",     _sex : "保密",     setName : function(name){         this._name = name;     },     setSex : function(sex){         this._sex = sex;     },     getUserInfo : function() {         return "用户名：" + this._name + "；性别：" +this._sex;     } }

可以发现，闭包方式将公共的方法放在return { ... }中，而属性_name和_sex做为参数传入return { ... }中；

现在两种方式都实现一下代码，测试一下：

window.onload = function() {
    LoginUser.setName("Leepy");
    LoginUser.setSex("男");
    alert(LoginUser._name);
}

可以得到闭包方式单件模式(左)对比第1条基本单件模式(右)如下两个结果：

可以看出闭包方式的LoginUser无法得到_name的值，而基本方式的LoginUser可以得到_name的值；

这进一步说明了闭包方式的_name已经成为“私有”成员属性了。而如果要得到_name的值，只有通过公开方法或者公开属性来获得，如下：

return { // 注意这里的“{”号不能够换行到下一行，不然浏览器提示错误
    getName : function() {
       return _name;
   }
}

这样子，alert(LoginUser.getName()); 就可以显示正确的值了。

继续看prototype.js文件中，其实也用到闭包方式的单件模式：

var Hash = Class.create(Enumerable, (function() {

  function toQueryPair(key, value) {
    if (Object.isUndefined(value)) return key;
    return key + '=' + encodeURIComponent(String.interpret(value));
  }

  return {
    initialize: function(object) {
      this._object = Object.isHash(object) ? object.toObject() : Object.clone(object);
    },

    _each: function(iterator) {
      for (var key in this._object) {
        var value = this._object[key], pair = [key, value];
        pair.key = key;
        pair.value = value;
        iterator(pair);
      }
    },

    set: function(key, value) {
      return this._object[key] = value;
    },

    get: function(key) {
      // simulating poorly supported hasOwnProperty
      if (this._object[key] !== Object.prototype[key])
        return this._object[key];
    },

    unset: function(key) {
      var value = this._object[key];
      delete this._object[key];
      return value;
    },

    toObject: function() {
      return Object.clone(this._object);
    },

    keys: function() {
      return this.pluck('key');
    },

    values: function() {
      return this.pluck('value');
    },

    index: function(value) {
      var match = this.detect(function(pair) {
        return pair.value === value;
      });
      return match && match.key;
    },

    merge: function(object) {
      return this.clone().update(object);
    },

    update: function(object) {
      return new Hash(object).inject(this, function(result, pair) {
        result.set(pair.key, pair.value);
        return result;
      });
    },

    toQueryString: function() {
      return this.inject([], function(results, pair) {
        var key = encodeURIComponent(pair.key), values = pair.value;

        if (values && typeof values == 'object') {
          if (Object.isArray(values))
            return results.concat(values.map(toQueryPair.curry(key)));
        } else results.push(toQueryPair(key, values));
        return results;
      }).join('&');
    },

    inspect: function() {
      return '#<Hash:{' + this.map(function(pair) {
        return pair.map(Object.inspect).join(': ');
      }).join(', ') + '}>';
    },

    toJSON: function() {
      return Object.toJSON(this.toObject());
    },

    clone: function() {
      return new Hash(this);
    }
  }
})());

Class.create的第二个参数就是闭包方式的单件对象，这里的作用是将Hash对象继承于Enumerable类，并且包含了单件对象的公开方法如set,get,keys,values等等操作获取散列键值的方法。具体这里我就不再阐述了，大家可以查看prototype官方的Api文档。

4. 延迟加载的单件模式

上面介绍的各种方式都是在建立对象的时候，对象内部的成员都已经加载完毕，如果对于资源占用多的脚本，在不需要的时候，这对于内存造成了极大的浪费，所以要考虑一种方式将成员实例化推迟到需要调用对象的时候，也就是叫做延迟加载。

继续以LoginUser的例子作为演示：

var LoginUser = (function(){
    var uniqueInstance;
    var _name;
    var _sex;
    function constructor(){
        _name = "匿名用户";
        _sex = "保密";
        
        return {
            setName : function(name){
            _name = name;
            },
            setSex : function(sex){
                _sex = sex;
            },
            getUserInfo : function(){
                return "用户名：" + _name + "；性别：" + _sex;
            },
            getName : function(){
                return _name;
            }
        };
    }
    
    return {
        getInstance : function() {
            if(uniqueInstance == null)
            {
                uniqueInstance = constructor();
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }
})();

可以看到，我这里添加了一个私有方法constructor()，并且由它来公开成员方法；
再则，当第一次调用getInstance方法的时候，调用contructor方法，并且对于成员属性_name和_sex进行初始化，说明通过调用getInstance方法才对属性进行初始化，平时不进行初始化，constructor()返回了一个uniqueInstance的对象，由uniqueInstance对象负责该单件对象的公开方法的操作。

然后新建一个HTML页面：

window.onload = function() {
    var user1 = LoginUser.getInstance();
    user1.setName("Leepy");
    user1.setSex("男");
    alert(user1.getUserInfo());//用户名：Leepy；性别：男
    
    var user2 = LoginUser.getInstance();
    alert(user1 == user2); //user1和user2共享同一块内存空间，为true
}

只有通过LoginUser.getInstance()后，LoginUser才进行成员初始化，而方法返回的对象共享同一块的内存空间。这就是延迟加载单件模式的工作原理。

5. 其他

另外上次园里一位朋友(winter-cn)发我的一个单件设计模式的文章，觉得挺不错，它也是利用了“匿名”函数的特征构建了单件模式，我这里把代码贴出来一下：

<script>
(function(){
    //instance declared
    //SingletonFactory Interface
    SingletonFactory = {
        getInstance : getInstance
    }

    //private classes
    function SingletonObject()
    {
        SingletonObject.prototype.methodA = function()
        {
            alert('methodA');
        }
        SingletonObject.prototype.methodB = function()
        {
            alert('methodB');
        }
        SingletonObject.instance = this;
    }
    
    //SingletonFactory implementions
    function getInstance()
    {
        if(SingletonObject.instance == null)
            return new SingletonObject();
            
        else
            return SingletonObject.instance;
    }

})();

var instA = null;
try
{
alert("试图通过new SingletonObject()构造实例！");
instA = new SingletonObject();
}
catch(e){alert("SingletonObject构造函数不能从外部访问，系统抛出了异常！");}

instA = SingletonFactory.getInstance();  //通过Factory上定义的静态方法获得
var instB = SingletonFactory.getInstance();
instA.methodA();
instB.methodA();

alert(instA == instB); //成功

var instC = null;
try
{
alert("试图通过new SingletonObject()构造实例！");
instC = new SingletonObject();
}
catch(e){alert("SingletonObject构造函数不能从外部访问，系统抛出了异常！");}
</script>

总结

该篇文章用Javascript来设计单件模式的几种方式，在许多优秀的JS开源框架中，如prototype，MicrosoftAjaxLibrary，jQuery，MooTools等等，都包含着大量单件模式的应用，所以单件模式在Javascript中是很重要的一个模式。

附：源代码下载

本篇到此为止，谢谢大家阅读！

参考文献：《Head First Design Pattern》

《Professional Javascript Design Patterns》

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