Singleton Entwurfsmuster

• Das Singleton-Muster stellt sicher, dass eine Klasse nur eine Instanz hat und bietet einen globalen Zugriffspunkt darauf.
• Es beschränkt die Instanziierung einer Klasse auf ein einzelnes Objekt.
• Nützlich, wenn genau ein Objekt benötigt wird, um Aktionen im gesamten System zu koordinieren.

Absicht

• Stelle sicher, dass nur eine Instanz einer Klasse existiert.
• Biete einen globalen Zugriffspunkt auf diese Instanz.
• Kontrolliere den Zugriff auf eine einzelne, gemeinsam genutzte Ressource.

Motivation

• Für einige Klassen ist es nicht sinnvoll, mehrere Instanzen zu haben.
• Ein einzelnes Objekt kann erforderlich sein, um eine gemeinsam genutzte Ressource zu verwalten oder systemweite Aktionen zu koordinieren.
• Das Singleton-Muster stellt sicher, dass nur eine Instanz erstellt wird und bietet eine Möglichkeit, global darauf zuzugreifen.

Anwendbarkeit

• Verwende das Singleton-Muster, wenn:
  • Es muss genau eine Instanz einer Klasse geben.
  • Die einzelne Instanz muss für Clients über einen bekannten Zugriffspunkt zugänglich sein.
  • Wenn die einzige Instanz durch Sub-Classing erweiterbar sein soll und Clients in der Lage sein sollen, eine erweiterte Instanz zu verwenden, ohne ihren Code zu ändern.

Struktur

• Die Singleton-Klasse kapselt die einzelne Instanz und bietet den Zugriffspunkt.
• Clients greifen über die Methode des Singletons auf die Instanz zu.
• Das Klassendiagramm enthält die Singleton-Klasse, ihren privaten Konstruktor, die statische Instanz und die statische Zugriffsmethode.

Teilnehmer

• Singleton: Definiert die Operation Instance, mit der Clients auf ihre eindeutige Instanz zugreifen können, und ist möglicherweise für die Erstellung ihrer eigenen eindeutigen Instanz verantwortlich.

Zusammenarbeit

• Clients greifen ausschließlich über die Instance-Operation des Singletons auf die Singleton-Instanz zu.

Konsequenzen

• Kontrollierter Zugriff auf die einzige Instanz: Singleton kapselt die Instanz und steuert, wie und wann Clients darauf zugreifen.
• Reduzierter Namensraum: Singleton vermeidet die Beeinträchtigung des globalen Namensraums durch globale Variablen.
• Ermöglicht die Verfeinerung von Operationen: Die Singleton-Klasse kann als Unterklasse verwendet werden, und es ist einfach, eine Anwendung mit einer Instanz dieser erweiterten Klasse zu konfigurieren.
• Ermöglicht eine variable Anzahl von Instanzen: Das Muster erleichtert es, Ihre Meinung zu ändern und mehr als eine Instanz zuzulassen.
• Flexibler als Klassenoperationen: Eine andere Möglichkeit, die Funktionalität eines Singletons zu verpacken, sind Klassenoperationen (d. h. statische Member in C++ oder statische Methoden in Java).

Implementierung

• Sicherstellen einer einzelnen Instanz: Mache den Konstruktor privat oder geschützt.
• Bereitstellung eines globalen Zugriffspunkts: Definiere eine statische Methode (z. B. getInstance), die die einzelne Instanz zurückgibt.
• Lazy Initialization: Erstelle die Instanz erst, wenn sie zum ersten Mal angefordert wird.
• Thread-Sicherheit: Stelle sicher, dass die Instanz in einer Thread-sicheren Weise in parallelen Umgebungen erstellt wird.
• Singleton-Klasse als Unterklasse: Die Hauptschwierigkeit ergibt sich daraus, dass der Konstruktor privat ist
• Beispielhafte Implementierungsschritte:
  • Deklariere die Konstruktoren als privat.
  • Erstelle eine statische Membervariable des Klassentyps.
  • Erstelle eine statische Methode, um die Instanz abzurufen.

Beispielcode (Java)

• Klassisches Implementierungsbeispiel:

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

• Thread-sichere Implementierung mit Double-Checked Locking:

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

• Implementierung mit einem Enum (effektiv für Serialisierung und Thread-Sicherheit):

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void doSomething() {}
}

Bekannte Anwendungen

• Compiler: Einige Compiler verwenden das Singleton-Muster für die Symboltabelle.
• Betriebssysteme: Betriebssysteme können es verwenden, um das Dateisystem oder den Fenstermanager zu verwalten.
• Andere Muster: Fassadenobjekte sind oft Singletons, da nur ein Fassadenobjekt benötigt wird.

Verwandte Muster

• Abstract Factory, Builder und Prototype können Singletons in ihrer Implementierung verwenden.
• Zustandsobjekte sind oft Singletons.