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單例模式，由于其簡單好用容易理解、同時在出問題時也容易定位的特點，在開發中經常用到的一個設計模式。

一．什么是單例模式

1. 單例模式的定義

簡單的來說，一個單例類，在整個程序中只有一個實例，并且提供一個類方法供全局調用，在編譯時初始化這個類，然后一直保存在內存中，到程序（APP）退出時系統自動釋放這部分內存。

2. 系統單例類了解

UIApplication（應用程序實例類）

NSNotificationCenter（消息中心類）

NSFileManager（文件管理類）

NSUserDefaults（應用程序設置）

NSURLCache（請求緩存類）

NSHTTPCookiesStorage（應用程序cookies池）

3. 在那些地方會常用到單例類

一般在應用程序中，經常需要調用的類，比如工具類，公共跳轉類等等，都建議使用單例模式。

二．單例模式的生命周期

1. 單例實例在存儲器中的位置

程序中不同變量在手機存儲器中的存儲位置詳情見“內存管理”專題。

在程序中，一個單例類在只能初始化一次，為了保證在使用時始終都是存在的，所以單例是在存儲器的全局區域。在編譯時分配內存，只要程序還在運行就會一直占用內存，在 APP 結束后由系統釋放這部分內存。

2. 多次初始化單例類會發生什么？

下面代碼我們在工程中初始化一次 UIApplication。最終運行的結果如下，程序直接崩潰，由此可以確定，一個單例類只能初始化一次。

[[UIApplication alloc] init]; 
Terminating app due to uncaught exception 'NSInternalInconsistencyException', reason: 'There can only be one UIApplication instance.'

三．實現單例類

1. 實現單例類的思路

只能分配一次內存（初始化一次），因此要攔截 alloc 方法。alloc 方法的底層是 allocWithZone 方法。

每個類只有一個對象，需要一個全局靜態變量來存儲這個對象。

需要考慮線程安全。

2. 單例的兩種模式

懶漢模式：當使用這個單例對象的時候，才創建對象，就是 _instance 的懶加載形式。由于移動設備內存有限，所以這種方式最適合。

餓漢模式：當類第一次加載的時候，就創建單例對象，并保存在 _instance 中。由于第一次加載就創建，內存從程序開始運行的時候就分配了，不適合移動設備。

3. 單例基本形式（懶漢模式）

@interface XBLoadTool : NSObject
// 給外界快速創建單例對象使用
+ (instancetype)sharedLoadTool;
@end
  
#import "XBLoadTool.h"

// 定義全局靜態變量,用來存儲創建好的單例對象，當外界需要時，返回
static id _instance;

@implementation XBLoadTool

// 給外界快速創建單例對象使用
+ (instancetype)sharedLoadTool {
    if (_instance == nil) {
        // 避免出現多個線程同時創建_instance,加鎖
        @synchronized (self) {
            // 使用懶加載，確保_instance只創建一次
            if (_instance == nil) {
                _instance = [[self alloc] init];
            }
        }
    }
    return _instance;
}

// 重寫allocWithZone:方法---內存與sharedLoadTool方法體基本相同
+ (instancetype)allocWithZone:(NSZone *)zone {
    // 避免每次線程過來都加鎖，首先判斷一次，如果為空才會繼續加鎖并創建對象
    if(_instance == nil) {
        // 避免出現多個線程同時創建_instance,加鎖
        @synchronized(self) {
            // 使用懶加載，確保_instance只創建一次
            if(_instance == nil) {
                //調用父類方法，分配空間
                _instance = [super allocWithZone:zone];
            }
        }
    }
    return _instance;
}

// 重寫copyWithZone:方法,避免實例對象的copy操作導致創建新的對象
- (instancetype)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    // 由于是對象方法，說明可能存在_instance對象，直接返回即可
    return _instance;
}

@end

為什么全局變量要使用 static 修飾？

static 修飾局部變量：

• 其生命周期與全局變量相同，直到程序結束，只有一份內存空間。
• 內存空間：僅有一份，多次調用函數時保留上次的值。
• 作用域不變，僅限定義它的函數或代碼塊內，與未加static的局部變量作用域一致。

static 修飾全局變量：

• 內存空間：只有一份內存空間，全局變量本身只有一份，static 修飾后不改變此特性。
• 全局變量可以在其他文件中，通過 extern id _instance 來聲明，然后直接在其他文件中調用。用 static 會將全局變量的鏈接屬性從 external 改為 internal，使其僅在當前文件可見，其他文件無法通過 extern 引用，任何方式都無法跨文件訪問。

加鎖且懶加載的原理：懶加載是為了，確保整個類只有一個 instance。加鎖：多線程中，可能多個線程都發現當前的 _instance==nil，那么就會同時創建對象，不符合單例的原則，所以加鎖。但是加鎖容易引起效率降低，不能每次線程過來就加鎖，所以在加鎖之前首先判斷一次是否為空，不為空根本不需要創建，直接返回。為空則說明可能需要創建對象，那么再加鎖。

3. GCD（dispatch_once_t）創建單例（懶漢模式）

考慮到線程安全，蘋果官方推薦開發者使用 dispatch_once_t 來創建單例類。上面實例中，在 allocWithZone 方法和 sharedLoadTool 中，每次需要判斷是否為空，然后加鎖，其目的是為了保證 [[self alloc]init] 和 [super allocWithZone:zone] 代碼只執行一次，那么可以使用 GCD 的一次性代碼解決，另外，GCD 一次性代碼是線程安全的，所以不需要我們自己來處理加鎖問題。

// 創建單例類方法，供全局調用 - retutn type instancetype
+ (instancetype)shareOnceClass {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _onceClass = [[XBOnceClass alloc] init];
    });
    return _onceClass;
}

// 修改 allocWithZone 方法
+ (instancetype)allocWithZone:(NSZone *)zone{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _onceClass = [super allocWithZone:zone
];
    });
    return _onceClass;
}

// 重寫 copyWithZone:方法,避免實例對象的 copy 操作導致創建新的對象
-(instancetype)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
    //由于是對象方法，說明可能存在_onceClass對象，直接返回即可
    return _onceClass;
}

由于移動端特性，我們在開發過程中多用 GDG（懶漢模式）來創建單例。對于餓漢模式在第五大點有提到。

四．單例模式的優缺點

優點：

1）在整個程序中只會實例化一次，所以在程序如果出了問題，可以快速的定位問題所在；

2）由于在整個程序中只存在一個對象，節省了系統內存資源，提高了程序的運行效率；

缺點：

1）不能被繼承，不能有子類；

2）不易被重寫或擴展（可以使用分類）；

3）同時，由于單例對象只要程序在運行中就會一直占用系統內存，該對象在閑置時并不能銷毀，在閑置時也消耗了系統內存資源；

五．單例模式過程詳解

1. 初始化過程解析

重寫單例類的 alloc->allocWithZone 方法，確保這個單例類只被初始化一次。

在 viewDidLoad 方法中調用單例類的 alloc 和 init 方法：[[XBOnceClass alloc] init];

此時只是報黃點，但是并沒有報錯，Run 程序也可以成功，這樣的話，就不符合我們最開始使用單例模式的初衷來，這個類也可以隨便初始化類，為什么呢？因為我們并沒有獲取 OneTimeClass 類中的使用實例;

因此可以重寫 alloc 方法的處理可以采用斷言或者系統為開發者提供的 NSException 類來告訴其他的同事這個類是單例類，不能多次初始化。

// 斷言
+ (instancetype)alloc {
    NSCAssert(!_onceClass, @"單例XBOnceClass只能被初始化一次");
    return [super alloc];
}

 //NSException
+ (instancetype)alloc {
   //如果已經初始化了
    if (_onceClass) {
      NSException *exception = [NSException exceptionWithName:@"提示" reason:@"XBOnceClass類只能初始化一次" userInfo:nil];
      [exception raise];
   }
  return [super alloc];
}

但是，如果我們的程序直接就崩潰了，這樣的做法與開發者開發 APP 的初衷是不是又相悖了，作為一個程序員的目的要給用戶一個交互友好的 APP，而不是一點小問題就崩潰。對于這種情況，可以用到 NSObect 類提供的 load 方法和 initialize 方法來控制，
這兩個方法的調用時機，load 方法：當程序開始運行的時候，所有類都會加載到內存中（不管這個類有沒有使用），此時就會調用 load 方法，如果想某個操作在程序運行的過程中只執行一次，那么這個操作就可以放到 load 中，且在 main 函數調用之前調用，基于以上特點餓漢模式的單例創建就是放在 load 方法中； initialize 方法是當類第一次被使用的時候調用（比如調用類的方法），在 main 函數調用之后調用，如果子類沒有重寫該方法，那么父類的 initialize 方法可能會被執行多次，所以餓漢模式不能使用這種方法；

這樣的話，餓漢模式下，如果我在單例類的 load 方法初始化這個類，是不是就保證了這個類在整個程序中調用一次呢？

這樣就可以保證 sharedMusicTool 方法是最早調用的。同時，再次對 alloc 方法修改，無論在何時調用 instance 已經初始化了，如果再次調用 alloc 可直接返回_instance 實例。

@interface XBMusicTool : NSObject

//提供外界訪問的方法
+(instancetype)sharedMusicTool;

@end

#import "XBMusicTool.h"

// 定義靜態全局變量
static id _instance;

@implementation XBMusicTool

// 實現方法
+ (instancetype)sharedMusicTool {
    return _instance;
}

// 重寫load方法
+ (void)load {
    // 不需要線程安全，類加載的時候線程還沒開始呢
    _instance = [[self alloc]init];
}

// 重寫allocWithZone方法
+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone {
    if(_instance == nil) {
        _instance = [super allocWithZone:zone];
    }
    return _instance;
}

// 重寫copyWithZone:方法,避免實例對象的copy操作導致創建新的對象
-(instancetype)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    // 由于是對象方法，說明可能存在_instance對象，直接返回即可
    return _instance;
}

@end

最后在 ViewController 中打印調用 XBMusicTool 的 sharedMusicTool 和 alloc 方法，可以看到 Log 出來的內存地址是相同的，這就說明此時我的 XBMusicTool 類就只初始化了一次。

2. 直接禁止方法的使用

直接禁用方法，禁止調用這幾個方法，否則就報錯，編譯不過，不建議使用。

-(instancetype) copy __attribute__((unavailable("OneTimeClass類只能初始化一次")));

六．常見問題和學習

1. 如果單例的靜態變量被置為 nil 了，是否內存會得到釋放？

https://blog.csdn.net/jhcBoKe/article/details/108097693

https://www.jianshu.com/p/5c0d002a0aad

http://www.rzrgm.cn/dins/p/ios-singleton.html