Singleton Entwurfsmuster

Hier sind die aktualisierten Lernnotizen:

• Das Singleton-Muster ist ein Erzeugungsmuster, das sicherstellt, dass eine Klasse nur eine Instanz hat und einen globalen Zugriffspunkt darauf bietet.
• 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 eine Klasse nur eine Instanz hat.
• Stelle einen globalen Zugriffspunkt zu dieser Instanz bereit.
• Kontrolliere den Zugriff auf eine gemeinsam genutzte Ressource.

Motivation

• Für einige Klassen ist es wichtig, genau eine Instanz zu haben.
• Beispiele: Thread-Pool, Cache, Registry, Logger-Objekte.
• Das Singleton-Muster stellt sicher, dass nur eine Instanz einer Klasse erstellt wird.
• Es bietet einen globalen Zugriffspunkt zu dieser Instanz.
• Es vermeidet die Erstellung mehrerer Objekte, die zu inkonsistentem Zustand oder Verhalten führen könnten.

Struktur

• Singleton-Klasse: Definiert die getInstance()-Methode, die die einzelne Instanz zurückgibt.
• Privater Konstruktor: Verhindert die direkte Instanziierung der Klasse von aussen.
• Statische Instanz: Enthält die einzelne Instanz der Klasse.

Teilnehmer

• Singleton: Definiert die getInstance()-Operation, die Clients den Zugriff auf die eindeutige Instanz ermöglicht.
• Singleton: Kann für die Erstellung seiner eigenen Instanz verantwortlich sein.

Implementierung

• Mache den Konstruktor privat, um eine externe Instanziierung zu verhindern.
• Erstelle eine statische Membervariable, um die einzelne Instanz der Klasse zu halten.
• Stelle eine statische Methode (getInstance()) bereit, um die Instanz zurückzugeben.
• Lazy Initialisierung: Die Instanz wird erst erstellt, wenn sie zum ersten Mal angefordert wird.
• Thread-Sicherheit: Stelle sicher, dass die getInstance()-Methode thread-sicher ist, um zu verhindern, dass in einer Multi-Thread-Umgebung mehrere Instanzen erstellt werden.

Beispielcode (Java)

• Im Folgenden ist ein einfaches Beispiel für ein Singleton:

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // Privater Konstruktor, um eine externe Instanziierung zu verhindern
    }

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

    public void doSomething() {
        System.out.println("Singleton tut etwas!");
    }
}

• Thread-sicheres Singleton mit Double-Checked Locking:

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        // Privater Konstruktor, um eine externe Instanziierung zu verhindern
    }

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

    public void doSomething() {
        System.out.println("Singleton tut etwas!");
    }
}

Konsequenzen

• Kontrollierter Zugriff auf die einzige Instanz.
• Reduzierter Namespace: Vermeidet die Verunreinigung des globalen Namespace mit unnötigen Variablen.
• Erlaubt die Verfeinerung von Operationen und Darstellung: Die Singleton-Klasse kann abgeleitet werden, und es ist einfach, eine Anwendung mit einer Instanz dieser erweiterten Klasse zu konfigurieren.
• Erlaubt eine variable Anzahl von Instanzen: Einfache Änderung der Implementierung, um eine feste Anzahl von Instanzen zu ermöglichen.
• Flexibler als Klassenoperationen: Eine andere Möglichkeit, die Funktionalität eines Singletons zu verpacken - verwende Klassenoperationen (statische Member in C++ oder statische Methoden in Java).

Anwendbarkeit

• Wenn es genau eine Instanz einer Klasse geben muss und diese für Clients von einem bekannten Zugriffspunkt aus zugänglich sein muss.
• Wenn die einzige Instanz durch Ableitung erweiterbar sein soll und Clients eine erweiterte Instanz verwenden können sollen, ohne ihren Code zu ändern.

Wie man implementiert

• Stelle sicher, dass nur eine Instanz der Singleton-Klasse jemals erstellt wird.
• Blende den Konstruktor aus.
• Die statische Methode muss sich die Singleton-Instanz merken können.

Probleme

• Schwierigkeit beim Testen: Da die Singleton-Instanz oft global ist, kann es schwierig sein, Komponenten, die sie verwenden, zu isolieren und zu testen.
• Kann Abhängigkeiten verbergen: Singleton kann Abhängigkeiten maskieren und so Probleme verursachen
• Verletzung des Single Responsibility Principle: Das Singleton-Muster kann das Single Responsibility Principle verletzen, indem es sowohl die Erstellung der Instanz als auch einige Geschäftslogik behandelt.
• Potenzial für enge Kopplung: Singleton kann zu enger Kopplung zwischen Klassen führen, was es schwieriger macht, Code zu ändern oder umzugestalten.
• Threading-Probleme: Die Gewährleistung der Thread-Sicherheit in einer Singleton-Implementierung kann komplex und fehleranfällig sein.

Verwandte Muster

• Abstract Factory, Builder und Prototype können Singleton in ihrer Implementierung verwenden.
• Flyweight: Singleton ist ähnlich wie Flyweight, aber Flyweight unterstützt mehrere Instanzen.
• State: Oft als Singleton implementiert.

Varianten

• Eager Initialization: Die Instanz wird erstellt, wenn die Klasse geladen wird.
• Lazy Initialization: Die Instanz wird erstellt, wenn sie zum ersten Mal angefordert wird.
• Thread-Safe Singleton: Stellt sicher, dass die getInstance()-Methode thread-sicher ist.
• Singleton mit Double-Checked Locking: Reduziert den Overhead der Synchronisation.
• Singleton mit statischer innerer Klasse: Nutzt das Laden von Klassen, um Thread-Sicherheit und Lazy-Initialisierung zu gewährleisten.

Eager Initialisierung

• Die Singleton-Instanz wird erstellt, wenn die Klasse geladen wird.
• Thread-sicher per Default, da die Instanz nur einmal während des Ladevorgangs der Klasse erstellt wird.
• Kann zu unnötigem Ressourcenverbrauch führen, wenn die Instanz nicht sofort benötigt wird.

Lazy Initialisierung

• Die Singleton-Instanz wird erstellt, wenn sie zum ersten Mal angefordert wird.
• Vermeidet unnötigen Ressourcenverbrauch, wenn die Instanz nicht verwendet wird.
• Erfordert eine sorgfältige Synchronisation, um die Thread-Sicherheit zu gewährleisten.

Thread-Safe Singleton

• Stellt sicher, dass nur eine Instanz in einer Multi-Thread-Umgebung erstellt wird.
• Kann Synchronisationsmechanismen wie synchronized-Blöcke oder volatile-Variablen verwenden.
• Kann aufgrund der Synchronisation zu Leistungseinbussen führen.

Singleton mit Double-Checked Locking

• Reduziert den Overhead der Synchronisation, indem überprüft wird, ob die Instanz bereits erstellt wurde, bevor der synchronisierte Block betreten wird.
• Benötigt das Schlüsselwort volatile, um sicherzustellen, dass Änderungen an der Instanzvariable für alle Threads sichtbar sind.
• Kann komplex zu implementieren sein.

Singleton mit statischer innerer Klasse

• Nutzt das Laden von Klassen, um Thread-Sicherheit und Lazy-Initialisierung zu gewährleisten.
• Die Instanz wird nur erstellt, wenn die innere Klasse geladen wird (wenn getInstance() zum ersten Mal aufgerufen wird).
• Keine explizite Synchronisation erforderlich.

Vorteile

• Stellt sicher, dass eine Klasse nur eine Instanz hat.
• Bietet einen globalen Zugriffspunkt auf die Instanz.
• Kann Lazy initialisiert werden.
• Kann Thread-sicher sein.

Nachteile

• Kann Abhängigkeiten verbergen.
• Verstösst möglicherweise gegen das Single Responsibility Principle.
• Kann zu enger Kopplung führen.
• Schwierigkeit beim Testen.
• Potenzial für Überbeanspruchung.

Alternativen

• Dependency Injection: Verwende ein Dependency-Injection-Framework, um Abhängigkeiten zu verwalten und Instanzen von Klassen bereitzustellen.
• Statische Factory-Methoden: Verwende statische Factory-Methoden, um die Erstellung und den Zugriff auf Instanzen zu steuern.

Anwendungsbeispiele

• Logging: Stelle sicher, dass nur eine Logger-Instanz in der gesamten Anwendung verwendet wird.
• Konfigurationsmanagement: Biete einen einzigen Zugriffspunkt für Konfigurationseinstellungen.
• Datenbank-Verbindungspool: Verwalte einen einzigen Verbindungspool für den Datenbankzugriff.
• Caching: Stelle eine einzelne Cache-Instanz zum Speichern und Abrufen von Daten bereit.

Fazit

• Das Singleton-Muster ist ein nützliches Werkzeug, um sicherzustellen, dass eine Klasse nur eine Instanz hat und einen globalen Zugriffspunkt darauf bietet.
• Es sollte jedoch mit Bedacht eingesetzt werden.
• Dependency Injection oder andere Alternativen sollten in Betracht gezogen werden, um die potenziellen Nachteile des Singleton-Musters zu vermeiden.