Design pattern - Singleton

Chào mừng anh em trở lại với series Design Pattern thực chiến trong lập trình hướng đối tượng. Singleton là một trong những design pattern cơ bản và quan trọng nhất trong nhóm Creational Pattern.
Mục tiêu chính của nó là đảm bảo một class chỉ có duy nhất một instance trong suốt vòng đời của chương trình và cung cấp một điểm truy cập toàn cục tới instance này. Điều này rất hữu ích trong các tình huống đòi hỏi sự nhất quán về trạng thái của đối tượng hoặc tài nguyên, chẳng hạn như khi làm việc với database connection hay loggers. Thông qua bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu khái niệm, kiến trúc và cách triển khai Singleton trong ngôn ngữ lập trình Java.

I. Khái niệm và kiến trúc

1. Intent

Trích từ cuốn Design patterns Elements of Reusable Object-Oriented Software

Ensure a class only has one instance, and provide a global point of access to it.

GoF

Nhóm: Creational pattern

Pattern này có 2 mục tiêu chính

Đảm bảo 1 class chỉ có 1 instance duy nhất: ngăn chặn việc khởi tạo nhiều instance của một class
Cung cấp một điểm truy cập toàn cục (global access point): sử dụng một static method cho phép các component khác tùy ý access instance duy nhất này.

Structure tổng quát

Structure của Singleton rất đơn giản, chỉ có một class
Singleton: class chứa ít nhất 3 thành phần chính

Private static instance private static instance
Private constructor private Singleton()
Public static method getInstance() cung cấp access point đến instance cho các component khác

2. Ứng dụng

Sử dụng khi cần quản lý tài nguyên hệ thống một cách nhất quán. Các ví dụ thực tế có thể kể đến bao gồm database connection, loggers hoặc các config hệ thống phức tạp nhưng lại yêu cầu sự nhất quán trên toàn bộ hệ thống.

II. Thực hành implement trong Java

1. Naive implementation

Đúng như định nghĩa trên

private static instance
private constructor
public static method getInstance()

Singleton

public class NaiveSingleton {
  private static NaiveSingleton instance;
  private NaiveSingleton() {}

  public static NaiveSingleton getInstance() {
    if(Objects.isNull(instance)) {
      instance = new NaiveSingleton();
    }
    return instance;
  }
}

2. Thread-safe implementation

Vấn đề của implementation #1 là nó sẽ phát sinh vấn đề khi có nhiều thread cùng tham gia vào quá trình tạo instance.
Hãy tưởng tượng trường hợp có 2 thread cùng gọi phương thức getInstance() và instance chưa được khởi tạo.
Lúc này cả 2 sẽ cùng tạo ra 2 instance, phá vỡ quy tắc chỉ cho phép tạo 1 instance duy nhất.

Để giải quyết vấn đề trên có các cách sau

Static initialization - Khởi tạo instance ngay tại câu lệnh định nghĩa instance
Điểm yếu của phương pháp này là không hỗ trợ lazy load

private static Singleton instance = new Singleton();

Synchronized method - Khởi tạo instance ngay tại câu lệnh định nghĩa instance
Phương pháp này gặp vấn đề về performance vì các thread sẽ phải chờ khóa được released mỗi khi gọi phương thức getInstance()

public static synchronized Singleton getInstance() {
  if(Objects.isNull(instance)) {
    instance = new Singleton();
  }
  return instance;
}

Double-checked locking
Phương pháp này vừa hỗ trợ lazy load và cũng cải thiện đáng kể hiệu suất

public class ThreadSafeSingleton {
    private static volatile ThreadSafeSingleton instance;
    private ThreadSafeSingleton() {}

    /**
     * Get instance
     * Using double-checked locking mechanism
     * @return instance
     */
    public static ThreadSafeSingleton getInstance() {
        ThreadSafeSingleton result = instance;
        if(Objects.nonNull(result)) {
            return result;
        }
        synchronized (ThreadSafeSingleton.class) {
            if (Objects.isNull(instance)) {
                instance = new ThreadSafeSingleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

Full code anh em có thể tham khảo ở đây: design-pattern-made-easy/singleton

III. Lời kết

Singleton là một pattern đơn giản nhưng mạnh mẽ, giúp tối ưu việc quản lý tài nguyên và đảm bảo tính nhất quán trong hệ thống. Từ cách tiếp cận naive cho đến các giải pháp tối ưu hơn như Thread-safe Singleton và Double-checked locking, chúng ta có thể lựa chọn phương pháp phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng. Qua đó, việc sử dụng Singleton không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giúp chúng ta duy trì một kiến trúc rõ ràng và hiệu quả. Hẹn anh em ở các bài viết tiếp theo~

IV. Tài liệu tham khảo

Refactoring.guru
Head first design pattern - O'Reilly
Design patterns Elements of Reusable Object-Oriented Software - GoF

Nếu anh em cảm thấy bài viết hữu ích đừng ngần ngại click upvote cho bài viết, hoặc phát hiện ý nào chưa hợp lý hoặc cần giải thích thêm hãy comment cho tôi biết để cùng trao đổi nhé. Anh em có thể tham khảo các bài viết khác của tôi tại Blog cái nhân hoặc kết nối với tôi qua Linkedin

Design Pattern System Design