Singleton パターン - シングルトンパターン

2008/06/10 23:08Update

TAGS: Singleton | GoF | デザインパターン | OOD | オブジェクト指向設計

Singleton パターンはGoFによる23種類のデザインパターンの一つで、インスタンスの生成方法を提供します。Singleton パターンでは、クラスのインスタンスを一つしか生成しないことを保障できます。

はじめに

Singleton パターンはインスタンスの生成に関連するデザインパターンで、次のような機能や特徴を提供します：
◇　アプリケーション実行中に一つのみのインスタンスを生成する
◇　そのインスタンスを取得するためのstaticメソッド（インタフェース）を提供する
<<クラス図>>

Singleton　パターンの使用シーン

◇　マルチスレッド環境で、リソースやオブジェクトなどが複数のスレッドから同時に利用されても正常に動作する必要がある
◇　グローバル変数やリソースの共有
◇　パフォーマンスのため、インスタンスの生成するのに生成時間をかかりたくない

Singleton　パターンの実装方法

Singleton　パターンのJAVA言語による典型的な実装にはいくつかの方法があります。C++などほかの言語も基本的には同じような考え方になります。

方法１：

//1）キーワードfinalで、継承不可に
public final class Singleton {
    //2）Singletonインスタンス（static final）：instanceを定義
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    //3）privateのコンストラクター。外部クラスのnewによるインスタンスの生成不可に
    private Singleton(){};
    //4）static メソッドで生成されたメソッドを取得
    public static Singleton getInstance(){
        return Singleton.instance;
    }

    //その他メソッド
    ...
}

上の１）、２）、３）、４）はSingletonパターンの実装の肝心的な部分です。
上記方法では、クラスフィールドを用いてinstanceを生成しています。

    //2）Singletonインスタンス（static final）：instanceを定義
    private static final Singleton instance = new Singleton();

これはスレッドセーフではないので、最初の呼出は注意する必要があります（複数のスレッドから同時に呼ばされないように）。

方法２：

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

方法１と違って、instanceの生成はクラスフィールドではなく、getInstanceメソッドの中で生成されます。
また、synchronizedなので、getInstanceメソッドはスレッドセーフです、複数のスレッドどこから呼ばれても問題がありません。
しかし、同時に一つのスレッドからgetInstanceメソッドをしかアクセスできないので、パフォーマンス低下する恐れがあります。

方法３：

public final class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){};
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (this) {
                //double-check
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

これはいわゆるDouble-Checked Lockingです、完璧な解決策だと見えますが、残念ながら、動作しないことと証明されています。
※参考資料部分をご参照ください

方法４：

public final class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton(){};
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (this) {
                //double-check
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

これはSingleton instanceにvolatileで修飾させることで、double-check volatileとも言われます。しかし、この方法は環境（コンパイラ）に依存しますので、動作しない可能性があります。