Design Patterns - Singleton

Bài đăng này đã không được cập nhật trong 2 năm

Singleton

📜 Mục đích

Singleton là một design pattern thuộc nhóm creational giúp bạn tạo ra một lớp chỉ với một thực thế duy nhất, trong khi cung cấp điểm truy cập toàn cục cho thực thế đấy.

intent

😟 Vấn đề

Singleton cùng lúc giải quyết hai vấn đề, vi phạm đến Nguyên tắc Trách nhiệm đơn lẻ (Single Responsibility Principle):

Đảm bảo mỗi lớp chỉ có một thực thể: Tại sao bất kỳ ai cũng muốn kiểm soát số lượng thực thể (instance) mà một lớp có ? Lý do phổ biến nhất là để quản lý truy cập đến các tài nguyên chung, vd như cơ sở dữ liệu hay file.

Tưởng tượng, bạn đã tạo một đối tượng nhưng sau một thời gian bạn quyết định tạo một đối tượng mới. Bởi vì Singleton bảo đảm chỉ có duy nhất một thực thể được tạo ra, nên thay vì nhận một đối tượng mới hoàn toàn bạn sẽ nhận về đối tượng đã được tạo.

Lưu ý: Điều này không thể thực thi với các hàm khởi tạo (constructor) thông thường vì chúng sẽ luôn trả về đối tượng mới.

problem

Client sẽ không nhận ra được họ đang làm việc với một đối tượng mọi lúc

Cung cấp một điểm truy cập toàn cục cho thực thể: Hãy nhớ lại các biến toàn cục mà bạn đã dùng để lưu trữ một số đối tượng thiết yếu. Mặc dù khá tiện dụng nhưng chúng lại không an toàn vì bất kỳ đoạn code nào cũng có khả năng ghi đè lên nội dung của biến đó và làm hỏng chương trình.

Giống như biến toàn cục, Singleton giúp bạn truy cập đến các đối tượng ở bất cứ đâu trong chương trình. Tuy nhiên, không như biến, nó sẽ bảo vệ các thực thể khỏi bị ghi đè bởi code khác.

Mặt khác của vấn đề: bạn không muốn code giải quyết vấn đề #1 bị phân tán khắp chương trình. Sẽ tốn hơn nếu có nó trong một lớp, đặc biệt nếu phần còn lại của code bạn đã phụ thuộc vào nó.

😊 Giải pháp

Tất cả triển khai của Singelton đều có hai bước chung là:

Mặc định các hàm khởi tạo là riêng tư, để tránh các đối tượng khác sử dụng toán từ new với lớp Singleton.
Tạo một phương thức tĩnh hoạt động như một hàm khởi tạo. Bên trong phương thức này, sẽ gọi đến hàm khởi tạo riêng tư để tạo một đối tượng và lưu nó vào một trường tĩnh. Tất cả lệnh gọi theo sau phương thức này trả về một đối tượng cache.

Nếu code của bạn có quyền truy cập vào lớp Singleton thì nó có thể gọi phương thức tĩnh của Singleton. Vì vậy, bất cứ khi nào phương thức đó được gọi, sẽ có cùng một đối tượng được trả về.

🚗 Thế Giới Thực

Chính phủ là một ví dụ điển hình của pattern Singleton. Mỗi quốc gia chỉ có thể có một chính phủ chính thức. Bất kể danh tính cá nhân của các cá nhân đại diện chính phủ, danh hiệu, “Chính phủ X”, đều là điểm truy cập toàn cục để xác định danh tính nhóm người phụ trách.

🏢 Cấu trúc

structure

Lớp Singleton khai báo phương thức tĩnh getInstance để trả về cùng một thực thể của lớp đó.

Hàm khởi tạo Singleton sẽ bị ẩn ở code client, gọi phương thức getInstance là cách duy nhất để lấy đối tượng Singleton.

👨‍💻 Mã giả

Trong ví dụ này, cơ sở dữ liệu sẽ kết nối với một lớp hoạt động như một Singleton. Nó không có hàm khởi tạo công khai, cách duy nhất để lấy đối tượng là gọi phương thức getInstane. Phương thức này lưu đối tượng tạo trong lần đầu vào cache và sử dụng nó cho các lần gọi tiếp theo.

// Lớp Database định nghĩa phương thức `getInstance` để giúp
// client truy cập vào cùng đối tượng mà cơ sở dữ liệu kết
// nối trong suốt chương trình.
class Database is
    // Trường này để lưu trữ thực thể singleton nên khai
    // báo là tĩnh (static)
    private static field instance: Database

    // Hàm khởi tạo singleton luôn luôn là riêng tư
    // để tránh khởi tạo trực tiếp với toán tử `new`.
    private constructor Database() is
        // Một vài code khởi tạo ở đây, như là
        // kết nối đến server của cơ sở dữ liệu.

    // Phương thức tĩnh điều khiển truy cập đến thực thể
    // singleton.
    public static method getInstance() is
        if (Database.instance == null) then
            acquireThreadLock() and then
                // Đảm bảo rằng thực thể chưa được tạo bởi 
                // luồng(thread) khác trong khi luồng này đang
                // đợi giải phóng lock.
                if (Database.instance == null) then
                    Database.instance = new Database()
        return Database.instance

    // Cuối cùng, bất kỳ singleton nào cũng có một vài logic nghiệp vụ
    // để có thể thực thi các thực thể của nó.
    public method query(sql) is
        // Ví dụ, tất cả truy vấn cơ sở dữ liệu của ứng dụng
        // trong phương thức này. Do đó bạn có thể đặt logic
        // điều tiết hoặc cache vào đây.

class Application is
    method main() is
        Database foo = Database.getInstance()
        foo.query("SELECT ...")
        // ...
        Database bar = Database.getInstance()
        bar.query("SELECT ...")
        // Biến `bar` sẽ bao gồm cùng đối tượng với
        // biến `foo`.

💡 Ứng dụng

🐞 Sử dụng mẫu Singleton khi một lớp trong chương trình của bạn chỉ nên có một thực thể duy nhất cho tất cả client

⚡ Thường thấy khi dùng một đối tượng cơ sở dữ liệu duy nhất kết nối đến các phần khác nhau trong ứng dụng. Singleton vô hiệu hoá tất cả cách tạo đối tượng của lớp trừ phương thức tạo đặc biệt.

🐞 Sử dụng Singleton khi bạn cần kiểm soát chặt chẽ hơn đối với các biến toàn cục

⚡ Không giống như các biến toàn cục, Singleton đảm bảo rằng không có gì khác ngoại trừ chính lớp Singleton có thể thay đổi được thực thể được lưu.

Lưu ý rằng bạn luôn có thể điều chỉnh giới hạn thực thể trong Singleton và cho phép tạo bất kỳ số lượng thực thể nào. Đoạn code duy nhất cần thay đổi là phần thân của phương thức getInstance.

📋 Triển khai

Thêm một trường tĩnh vào lớp cho lưu trữ thực thể singleton.
Khai báo phương thức tĩnh công khai cho lấy thực thể singleton.
Triển khai "lazy initialization" bên trong phương thức tĩnh. Nó tạo ra đối tượng mới cho lần gọi đầu tiên và đặt vào trong trường tĩnh. Phương thức luôn trả về thực thể đó cho tất cả gần gọi tiếp theo.
Thiết lập hàm khởi tạo riêng tư cho lớp. Phương thức tĩnh của lớp vẫn có thể gọi hàm khởi tạo nhưng không thể gọi đối tượng khác.
Đi đến code client và thay thế tất cả lệnh gọi trực tiếp đến hàm khởi tạo singleton bằng cách gọi đến phương thức khởi tạo tĩnh.

⚖️ Ưu nhược điểm

Ưu điểm

✔️ Bạn có thể chắc chắn mỗi lớp chỉ có một thực thể.

✔️ Bạn có điểm truy cập toàn cục đến thực thể đó.

✔️ Đối tượng singleton được tạo chỉ một lần duy nhất cho lệnh gọi đầu tiên.

Nhược điểm

❌ Như đã nói, cả hai vấn đề của Singleton đều vi phạm Nguyên tắc trách nhiệm đơn lẻ.

❌ Singleton có thể giấu đi các thiết kế tệ. Ví dụ như khi các thành phần trong chương trình biết quá nhiều về nhau.

❌ Pattern yêu cầu được xử lý đặc biệt trong môi trường đa luồng, để nhiều luồng sẽ không tạo ra một đối tượng Singleton nhiều lần.

❌ Gặp khó khăn khi thực hiện unit test cho code client của Singleton, vì các framework test dựa trên kế thừa khi tạo ra các đối tượng giả. Và hàm khởi tạo của lớp Singleton là private cùng với việc ghi đè các phương thức tĩnh là không thể trong hầu hết các ngôn ngữ, nên bạn sẽ cần phải nghĩ ra một cách sáng tạo để mô phỏng lớp singleton. Hoặc chỉ không thực hiện test. Hoặc không sử dụng Singleton.

🔁 Quan hệ với các pattern khác

Một lớp Facade thường có thể được chuyển đổi thành Singleton vì một đối tượng facade duy nhất là đủ trong hầu hết các trường hợp.

Flyweight sẽ giống với Singleton nếu bạn bằng cách nào đó giảm được tất cả các trạng thái được chia sẻ của các đối tượng xuống chỉ còn một đối tượng flyweight. Nhưng có hai điểm khác biệt cơ bản giữa các pattern này:

Chỉ nên có một thực thể Singleton, trong khi lóp Flyweight có thể có nhiều thực thể với các trạng thái nội tại khác nhau.
Đối tượng Singleton có thể thay đổi được. Đối tượng Flyweight là bất biến.

Tất cả các Abstract Factory, Builder và Prototype đều có thể được triển khai dưới dạng các Singleton.