Singleton

En enxeñaría de software, o padrón de deseño Singleton (Instancia Única) emprégase para garantir que unha clase soamente teña unha instancia, ademais de proporcionar un punto de acceso global a esa instancia. Trátase polo tanto dun padrón de creación.

É de utilidade cando se necesita exactamente un obxecto para coordinar accións nun sistema. Este concepto pode xeneralizarse para restrinxir a instanciación a un certo número de obxectos.

Motivación

En certos contextos, é importante que algunhas clases teñan exactamente unha instancia que sexa facilmente accesible (por exemplo, ter un único xestor de ventás nunha aplicación).

O uso dunha variable global fai accesible un obxecto, pero non evita que se poidan crear múltiples instancias de obxectos. Unha solución mellor é facer que sexa a propia clase a responsable da súa única instancia. A clase pode garantir que non se poida crear ningunha outra instancia (restrinxindo o acceso ao construtor) e pode así mesmo proporcionar un modo de acceso á instancia.

Aplicabilidade

O uso do padrón é axeitado cando:

Deba existir unha única instancia dunha clase, que debe ser accesible aos clientes dende un punto de acceso ben coñecido.
A única instancia pode ser estendida (subclase), e os clientes deberían poder utilizar a instancia estendida sen modificar o seu código.

Estrutura

Participantes

Instancia Única (Singleton): define un método de clase que permite aos clientes accederen á instancia única. Normalmente é responsable de crear a súa única instancia.

Colaboracións

Os clientes acceden á instancia do Singleton a través da operación definida con esa finalidade.

Consecuencias

As principais vantaxes do padrón Singleton son:

Proporciona un acceso controlado á súa única instancia grazas á encapsulación da mesma, podendo ter un control estrito sobre o acceso a ela por parte dos clientes.
Reduce o espazo de nomes ao evitar o uso de variables globais para almacenar instancias.
Posibilita o refinamento de operacións e representación; é dicir, pódense crear subclases da clase Singleton, sendo sinxelo configurar os sistemas cunha instancia desta clase estendida.
Permite un número variable de instancias, sendo necesario cambiar unicamente a operación que proporciona acceso á instancia do Singleton.
Outorga unha maior flexibilidade con respecto ás operacións de clase, pois o uso destas dificulta o cambio dos deseños para permitir máis dunha instancia.

Implementación

Á hora de utilizar o padrón Singleton, débense ter en conta algúns aspectos de implementación, entre os que destacan:

Garantir a unicidade da instancia da clase.
Estender a clase Singleton.

Garantir a unicidade da instancia da clase

O padrón Singleton fai que a única instancia sexa unha instancia normal da clase, pero coa particularidade de que dita clase soamente permite crear unha instancia. Adóitase conseguir isto mediante a ocultación da operación que crea a instancia tras unha operación de clase. Esta operación ten acceso á variable que contén a instancia e asegura que a variable estea inicializada con dita instancia previamente a devolver o seu valor. Este enfoque asegura que un Singleton se crea e inicializa antes do seu primeiro uso. Por exemplo, en Java pódese definir a operación de clase mediante un método estático obterInstancia() da clase Singleton, que tamén define unha variable estática _instancia que contén a súa única instancia.

public class Singleton {
    private static Singleton _instancia = null;
	
    private Singleton() {	}
	
    public static synchronized Singleton obterInstancia() {
        if (_instancia == null) {
            _instancia = new Singleton();
        }
        return _instancia;
    }
}

Os clientes acceden ao Singleton exclusivamente a través do método obterInstancia(). A variable _instancia inicialízase a null e o método estático obterInstancia() devolve o seu valor, inicializándoa coa única instancia en caso de que sexa null. obterInstancia() utiliza inicialización "preguiceira" (lazy initialization): o valor que devolve non se crea e almacena ata que se accede a el por primeira vez.

Por outra banda, o construtor declárase como privado: un cliente que trate de crear unha instancia de Singleton directamente obterá un erro en tempo de compilación. Isto garante que soamente se pode crear unha instancia. Ademais, e debido a que _instancia é de tipo Singleton, o método obterInstancia() pode asignar a esta variable unha instancia dunha subclase de Singleton.

Nótese o uso de synchronized para permitir a súa utilización en aplicacións multi-fío. No caso de que dous fíos executen o método de creación simultaneamente cando a instancia do Singleton aínda non existe, ambos deben comprobar a instancia do Singleton e soamente debe creala un deles. Por iso é típico o uso de exclusión mutua na clase que indica que o obxecto está sendo instanciado.

Unha alternativa sería o uso de inicialización "impaciente" (eager initialization), na que sempre se crea a instancia. Este tipo de inicialización emprégase cando o programa sempre necesita unha instancia ou cando o custo de crear a instancia non é demasiado alto en términos de tempo/recursos.

public class Singleton {
    private static Singleton _instancia = new Singleton();

    private Singleton() {    }

    public static Singleton obterInstancia() {
        return _instancia;
    }
}

Este método ten varias vantaxes:

Non se necesita utilizar synchronized no método obterInstancia().
O programador non ten que preocuparse da creación de instancias, pois Java garante que a inicialización xa estará feita antes de que o código sexa accedido por calquera clase.

Porén, tamén ten algúns inconvenientes. Destaca principalmente:

Se o programa non necesita a instancia do Singleton, pode ser unha mellor opción o uso da inicialización "preguiceira".

Estender a clase Singleton

O principal problema non é definir a subclase, senón crear a súa única instancia de maneira que os clientes a poidan utilizar. En esencia, a variable que fai referencia á única instancia debe ser inicializada cunha instancia da subclase. A técnica máis sinxela é determinar que Singleton queremos usar na operación obterInstancia() de Singleton.

Outra maneira de elixir a subclase de Singleton é trasladar a implementación de obterInstancia() dende a clase pai á subclase. Este enfoque dificulta a elección da clase de Singleton en tempo de execución, mentres que utilizar instrucións condicionais para determinar a subclase é máis flexible, pero fixa o conxunto de posibles clases Singleton. Ningún dos dous enfoques é o suficientemente flexible para tódolos casos.

Un enfoque máis flexible utiliza un rexistro de obxectos Singleton. Así, en lugar de que sexa obterInstancia() quen defina o conxunto de posibles clases Singleton, estas clases poden rexistrar a súa única instancia polo seu nome nun rexistro que sexa coñecido por todos.

O rexistro establece unha correspondencia entre nomes e obxectos Singleton. Cando obterInstancia() necesita un Singleton, consulta o seu rexistro, pedindo un Singleton polo seu nome. O rexistro busca o Singleton correspondente (no caso de que exista) e devólveo. Así, obterInstancia() non ten que coñecer tódalas posibles clases de Singleton. Todo o que necesita é unha interface común para tódalas clases de Singleton que inclúa operacións para o rexistro.

Exemplos de implementación

Java

A continuación amósase un exemplo no que se utiliza o padrón Singleton. Trátase dunha táboa onde claves e valores son cadeas de caracteres. O padrón Singleton garante que tódolos clientes utilizarán soamente a instancia única, é dicir, a mesma táboa hash (utilizada internamente para representar a táboa asociativa).

class Main {

    static void buscar() {

        // Obsérvese que en lugar de crear un obxecto de tipo Dicionario (o cal é
        // imposible debido a que o construtor é privado) o que se fai é chamar
        // ao método de clase instancia() para obter a instancia única.
        Dicionario d = Dicionario.instancia();

        System.out.println("O valor asociado a can é " + d.buscar("can"));
        System.out.println("O valor asociado a oso é " + d.buscar("oso"));
    }

    static void engadir() {
        Dicionario d = Dicionario.instancia();

        d.engadir("gato", "cat");
        d.engadir("can",  "dog");
        d.engadir("rato", "mouse");
        d.engadir("oso",  "bear");
        d.engadir("león", "lyon");
    }

    static public void main(String argv[]) {
        engadir();
        buscar();
    }
}

class Dicionario {

    // A clase Singleton garda un atributo de clase, normalmente privado, que
    // mantén a referencia coa única instancia da clase.
    static private Dicionario _instancia;

    // Estado privado asociado coa instancia única.
    private Hashtable _taboa;

    // O construtor da clase, que crea a táboa de dispersión, é privado
    // para garantir que non se poidan crear instancias dende fóra da clase.
    private Dicionario() {
        _taboa = new Hashtable();
    }

    // O método de clase instancia() encárgase de crear a instancia
    // asociada ao Singleton a primeira vez que se solicita. En accesos
    // posteriores, devólvese a instancia orixinal.
    static Dicionario instancia() {
        if (_instancia == null) {
            _instancia = new Dicionario();
        }

        return _instancia;
    }

    // Estes dous métodos son aplicables sobre obxectos da clase Dicionario,
    // é dicir, a súa única instancia. Engaden e buscan elementos na táboa hash.
    // Dado que a táboa hash almacena obxectos de tipo Object (igual que o
    // vector) debemos facer unha conversión ao extraer elementos da táboa.

    public void engadir(String clave, String valor) { 
        _taboa.put(clave, valor); 
    }

    public String buscar(String clave) { 
        return (String) _taboa.get(clave); 
    }
}

Padróns relacionados

Algúns dos padróns que se poden implementar facendo uso do Singleton son o Abstract Factory (Fábrica Abstracta), o Builder (Construtor virtual) e o Prototype (Prototipo).
Tamén é habitual que os obxectos Facade (Fachada) sexan Singletons debido a que soamente se require un obxecto Facade.

Véxase tamén

Bibliografía

Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software - Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides - Addison Wesley (GoF- Gang of Four)