Паттерны проектирования, взгляд iOS разработчика. Часть 0. Синглтон-Одиночка

Я почув і забув.
Я записав і запам'ятав.
Я зробив і зрозумів.
Я навчив іншого, тепер я майстер.
(В. В. Бублик)

Небольшое вступление.

Я не зря вынес в начало поста цитату на украинском языке. Дело в том, что именно эти слова я услышал от своего преподавателя программирования на втором курсе университета, и именно в таком виде я вспоминаю эти слова до сих пор. Как вы можете догадаться, эта цитата является отсылкой к высказыванию Конфуция, но в ней есть очень важное дополнение о достижении мастерства.

И именно эти слова и сподвигли меня на написание данной серии постов. Дело в том, что я — начинающий iOS разработчик, и я очень хочу разобраться в паттернах проектирования. И я не придумал лучшего способа, чем взять книгу "Паттерны проектирования" Эрика и Элизабет Фримен, и написать примеры каждого паттерна на Objective-C и Swift. Таким образом я смогу лучше понять суть каждого паттерна, а также особенности обоих языков.

Итак, начнем с самого простого на мой взгляд паттерна.

Одиночка, он же — синглтон.

Основная задача синглтона — предоставить пользователю один и только один объект определенного класса на весь жизненный цикл приложения. В iOS-разработке, как по мне — самый лучший пример необходимости такого объекта — класс UIApplication. Вполне логично, что в течение жизни нашего приложения у нас должен быть один-единственный объект класса UIApplication.

Итак, разберемся что такое синглтон в Objective-C и Swift на примерах из книги.

Давайте сначала узнаем как вообще создать объект какого-нибудь класса. Очень просто:

// Objective-C
[[MyClass alloc] init]

// Swift
MyClass()

И тут авторы подводят нас к мысли, что приведенным выше способом можно создать сколько угодно объектов этого класса. Таким образом, первое что нужно сделать на пути к синглтону — запретить создание объектов нашего класса извне. В этом нам поможет приватный инициализатор.

И если в swift это реализуется тривиально:

// Swift
class MyClass {

    private init() {}

}

То в objective-c все не так просто на первый взгляд. Дело в том, что все классы obj-c имеют одного общего предка: NSObject, в котором есть общедоступный инициализатор. Поэтому в файле заголовка нашего класса нужно указать на недоступность этого метода для нашего класса:

// Objective-C
@interface MyClass : NSObject

- (instancetype)init UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;

@end

Таким образом попытка создать объект нашего класса извне вызовет ошибку на этапе компиляции. Окей. Теперь и в objective-c у нас есть запрет на создание объектов нашего класса. Правда это еще не совсем приватный инициализатор, но мы к этому вернемся через пару секунд.

Итак, по сути мы получили класс, объекты которого не могут создаваться, потому что конструктор — приватный. И что со всем этим делать? Будем создавать объект нашего класса внутри нашего же класса. И будем использовать для этого статический метод (метод класса, а не объекта):

// Swift
class MyClass {

    private init() {}

    static func shared() -> MyClass {
        return MyClass()
    }

}

// Objective-C
@implementation MyClass

+ (instancetype)sharedInstance {
    return [[MyClass alloc] init];
}

@end

И если для swift опять все просто и понятно, то с objective-c возникает проблема с инициализацией:

Вполне логично, ведь мы сказали ранее, что - (instancetype)init недоступен. И он недоступен в том числе и внутри нашего класса. Что делать? Написать свой приватный инициализатор в файле реализации и использовать его в статическом методе:

// Objective-C
@implementation MyClass

- (instancetype)initPrivate
{
    self = [super init];
    return self;
}

+ (instancetype)sharedInstance {
    return [[MyClass alloc] initPrivate];
}

@end

(да, и не забудьте вынести метод + (instancetype)sharedInstance в файл заголовка, он должен быть публичным)

Теперь все компилируется и мы можем получать объекты нашего класса таким способом:

// Objective-C
[MyClass sharedInstance]

// Swift
MyClass.shared()

Наш синглтон почти готов. Осталось только исправить статический метод так, чтобы объект создавался только один раз:

// Objective-C
@implementation Singleton

- (instancetype)initPrivate
{
    self = [super init];
    return self;
}

+ (instancetype)sharedInstance {
    static Singleton *uniqueInstance = nil;
    if (nil == uniqueInstance) {
        uniqueInstance = [[Singleton alloc] initPrivate];
    }
    return uniqueInstance;
}

@end

// Swift
class Singleton {

    private static var uniqueInstance: Singleton?

    private init() {}

    static func shared() -> Singleton {
        if uniqueInstance == nil {
            uniqueInstance = Singleton()
        }
        return uniqueInstance!
    }

}

Как видите, для этого нам понадобилась статическая переменная, в которой и будет храниться единожды созданный объект нашего класса. Каждый раз при вызове нашего статического метода она проверяется на nil и, если объект уже создан и записан в эту переменную — он не создается заново. Наш синглтон готов, ура! :)

Теперь немного примеров из жизни из книги.

Итак, у нас есть шоколадная фабрика и для приготовления мы используем высокотехнологичный нагреватель шоколада с молоком (я просто обожаю молочный шоколад), который будет управляться нашим программным кодом:

// Objective-C

// файл заголовка ChocolateBoiler.h
@interface ChocolateBoiler : NSObject

- (void)fill;
- (void)drain;
- (void)boil;
- (BOOL)isEmpty;
- (BOOL)isBoiled;

@end

// файл реализации ChocolateBoiler.m
@interface ChocolateBoiler ()

@property (assign, nonatomic) BOOL empty;
@property (assign, nonatomic) BOOL boiled;

@end

@implementation ChocolateBoiler

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        self.empty = YES;
        self.boiled = NO;
    }
    return self;
}

- (void)fill {
    if ([self isEmpty]) {
        // fill boiler with milk and chocolate
        self.empty = NO;
        self.boiled = NO;
    }
}

- (void)drain {
    if (![self isEmpty] && [self isBoiled]) {
        // drain out boiled milk and chocolate
        self.empty = YES;
    }
}

- (void)boil {
    if (![self isEmpty] && ![self isBoiled]) {
        // boil milk and chocolate
        self.boiled = YES;
    }
}

- (BOOL)isEmpty {
    return self.empty;
}

- (BOOL)isBoiled {
    return self.boiled;
}

@end

// Swift
class ChocolateBoiler {

    private var empty: Bool
    private var boiled: Bool

    init() {
        self.empty = true
        self.boiled = false
    }

    func fill() {
        if isEmpty() {
            // fill boiler with milk and chocolate
            self.empty = false
            self.boiled = false
        }
    }

    func drain() {
        if !isEmpty() && isBoiled() {
            // drain out boiled milk and chocolate
            self.empty = true
        }
    }

    func boil() {
        if !isEmpty() && !isBoiled() {
            // boil milk and chocolate
            self.boiled = true
        }
    }

    func isEmpty() -> Bool {
        return empty
    }

    func isBoiled() -> Bool {
        return boiled
    }

}

Как видите — нагреватель сначала заполняется смесью (fill), затем доводит ее до кипения (boil), и после — передает ее на изготовление молочных шоколадок (drain). Для избежания проблем нам нужно быть уверенными, что в нашей программе присутствует только один экземпляр нашего класса, который управляет нашим нагревателем, поэтому внесем изменения в программный код:

// Objective-C
@implementation ChocolateBoiler

- (instancetype)initPrivate
{
    self = [super init];
    if (self) {
        self.empty = YES;
        self.boiled = NO;
    }
    return self;
}

+ (instancetype)sharedInstance {
    static ChocolateBoiler *uniqueInstance = nil;

    if (nil == uniqueInstance) {
        uniqueInstance = [[ChocolateBoiler alloc] initPrivate];
    }

    return uniqueInstance;
}

// other methods

@end

// Swift
class ChocolateBoiler {

    private var empty: Bool
    private var boiled: Bool

    private static var uniqueInstance: ChocolateBoiler?

    private init() {
        self.empty = true
        self.boiled = false
    }

    static func shared() -> ChocolateBoiler {
        if uniqueInstance == nil {
            uniqueInstance = ChocolateBoiler()
        }
        return uniqueInstance!
    }

    // other methods

}

Итак, все отлично. Мы на 100% уверены (точно на 100%?), что у нас есть только один объект нашего класса и никаких непредвиденных ситуаций на фабрике не произойдет. И если наш код на objective-c выглядит довольно неплохо, то swift выглядит недостаточно swifty. Попробуем его немного переписать:

// Swift
class ChocolateBoiler {

    private var empty: Bool
    private var boiled: Bool

    static let shared = ChocolateBoiler()

    private init() {
        self.empty = true
        self.boiled = false
    }

    // other methods

}

Дело в том, что мы можем спокойно хранить наш объект-одиночку в статической константе shared и нам совсем необязательно писать для этого целый метод с проверками на nil. Сам объект будет создан при первом обращении к этой константе и записан в нее один-единственный раз.

А как же многопоточность?

Все будет работать хорошо ровно до того момента, как мы захотим применить в нашей программе работу с потоками. Как же сделать наш синглтон потокобезопасным?

И опять же: в swift, как оказывается, совершенно не нужно выполнять каких-либо дополнительных действий. Константа уже потокобезопасна, ведь значение в нее может быть записано только один раз и это сделает тот поток, который доберется до нее первым.

А вот в objective-c необходимо внести коррективы в наш статический метод:

// Objective-C
+ (instancetype)sharedInstance {
    static ChocolateBoiler *uniqueInstance = nil;

    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        uniqueInstance = [[ChocolateBoiler alloc] initPrivate];
    });

    return uniqueInstance;
}

Блок внутри dispatch_once гарантированно выполнится только один раз, когда самый первый поток до него доберется, все остальные потоки — будут ждать, когда закончится выполнение блока.

Итоги подведем.

Итак, мы разобрались как правильно писать синглтоны на objective-c и swift. Приведу вам итоговый код класса Singleton на обоих языках:

// Objective-C

// файл заголовка Singleton.h
@interface Singleton : NSObject

- (instancetype)init UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;
+ (instancetype)sharedInstance;

@end

// файл реализации Singleton.m
@implementation Singleton

- (instancetype)initPrivate
{
    self = [super init];
    return self;
}

+ (instancetype)sharedInstance {
    static Singleton *uniqueInstance = nil;

    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        uniqueInstance = [[Singleton alloc] initPrivate];
    });

    return uniqueInstance;
}

@end

// Swift
class Singleton {

    static let shared = Singleton()

    private init() {}

}

П.С.

Хочу попросить всех читателей и комментаторов: если вы увидели какую-нибудь неточность или знаете как какой-либо из приведенных мною кусков кода написать правильнее/красивее/корректнее — скажите об этом. Я пишу здесь совсем не для того, чтоб учить других, а для того, чтоб научиться самому. Ведь пока мы учимся — мы остаемся молодыми.

Спасибо вам за внимание.

Автор: s_suhanov

Источник