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私人免费网站怎么下载,嘉鱼网站建设,dz 做企业网站,企业管理咨询服务合同JavaScript 中的单例模式#xff1a;利用闭包、IIFE 或 ES Modules 实现线程安全的单例在软件工程中#xff0c;单例模式是一种创建型设计模式#xff0c;它确保一个类只有一个实例#xff0c;并提供一个全局访问点来获取这个实例。这种模式在需要严格控制资源访问、维护全…JavaScript 中的单例模式利用闭包、IIFE 或 ES Modules 实现线程安全的单例在软件工程中单例模式是一种创建型设计模式它确保一个类只有一个实例并提供一个全局访问点来获取这个实例。这种模式在需要严格控制资源访问、维护全局状态或确保特定组件只存在一份时非常有用例如配置管理器、日志记录器、数据库连接池或事件总线。在 JavaScript 这个单线程的运行时环境中线程安全 的概念与传统多线程语言如 Java、C#有所不同。JavaScript 的主线程本身是单线程的这意味着代码是顺序执行的不会出现传统意义上的多个线程同时修改一个变量的竞态条件。然而线程安全 在 JavaScript 中更多地指的是防止异步操作导致的多次实例化在异步编程模式下如setTimeout、Promise、async/await虽然代码在同一个事件循环中执行但如果单例的创建逻辑设计不当在实例尚未完全创建完成时另一个异步任务可能会尝试再次创建实例。Web Workers 环境下的实例隔离每个 Web Worker 都在一个独立的线程中运行拥有自己的全局作用域。主线程的单例不会自动共享给 Web Worker每个 Worker 都会有自己的实例。因此实现跨 Worker 的单例需要更复杂的机制通常涉及消息传递或SharedArrayBuffer但这超出了经典单例模式的范畴。本讲座将深入探讨如何在 JavaScript 中利用闭包、立即执行函数表达式IIFE和 ES Modules 来实现单例模式并着重分析它们如何确保在 JavaScript 的执行模型下达到“单实例”和“线程安全”在上述第一点意义上的目的。一、单例模式的核心原则与基础实现单例模式的核心在于两点确保唯一性构造函数或创建逻辑只能被调用一次以创建唯一的实例。提供全局访问必须提供一个公共方法或属性让所有需要使用该实例的代码都能获取到同一个实例。让我们从一个简单的、但存在缺陷的单例实现开始以此引出更健壮的方法。1.1 基础实现存在缺陷// 定义一个简单的 Logger 类 class Logger { constructor() { if (Logger.instance) { return Logger.instance; // 如果已存在实例则直接返回 } this.logs []; console.log(Logger 实例被创建); Logger.instance this; // 存储当前实例 } log(message) { const timestamp new Date().toISOString(); this.logs.push([${timestamp}] ${message}); console.log(Log: ${message}); } getLogs() { return this.logs; } } // 尝试创建多个实例 const logger1 new Logger(); const logger2 new Logger(); console.log(logger1 logger2); // true logger1.log(这是第一条日志); logger2.log(这是第二条日志); console.log(logger1.getLogs()); console.log(logger2.getLogs());分析这个实现通过在构造函数内部检查Logger.instance静态属性来确保唯一性。如果Logger.instance已经存在则返回现有实例否则创建新实例并将其存储到Logger.instance中。缺陷非私有实例变量Logger.instance是一个公共静态属性外部可以直接访问甚至修改这破坏了单例的封装性。不是惰性加载即使构造函数内部有判断但new Logger()每次都会执行只是返回了同一个实例。在某些特定异步场景下仍可能出现问题如果在实例尚未完全初始化例如constructor中有异步操作但Logger.instance已经被赋值之前另一个new Logger()被调用理论上可能导致问题。虽然在 JavaScript 的单线程模型下这种情况比较少见但在更复杂的异步流程中仍需更严谨的控制。为了解决这些问题我们需要利用 JavaScript 的闭包特性来创建私有作用域从而更好地控制实例的创建和访问。二、利用闭包实现单例模式闭包是 JavaScript 中一个强大而核心的特性。当一个函数能够记住并访问其词法作用域即使该函数在其词法作用域之外执行时它就形成了一个闭包。我们可以利用闭包来创建一个私有变量来存储单例实例并提供一个公共方法来获取它。2.1 闭包实现原理核心思想是定义一个外部函数该函数内部包含一个私有变量来存储实例。外部函数返回一个内部函数通常命名为getInstance这个内部函数负责检查实例是否存在如果不存在则创建然后返回实例。由于内部函数形成闭包它能够持续访问外部函数的私有变量从而维护实例的唯一性。2.2 闭包实现示例// 定义一个配置管理器 function ConfigManager() { let instance; // 私有变量用于存储单例实例 let config {}; // 假设的配置数据 // 内部构造函数负责初始化实例 function init() { // 模拟一些初始化操作 console.log(ConfigManager 实例被初始化); config { apiUrl: https://api.example.com, timeout: 5000, version: 1.0.0 }; return { getConfig: () config, setApiUrl: (url) { config.apiUrl url; console.log(API URL 已更新为: ${url}); }, // 其他方法... }; } // 公共方法用于获取单例实例 return { getInstance: function() { if (!instance) { instance init(); // 如果实例不存在则创建 } return instance; // 返回唯一实例 } }; } // 获取 ConfigManager 的创建器 const configManagerCreator ConfigManager(); // 通过创建器获取单例实例 const config1 configManagerCreator.getInstance(); const config2 configManagerCreator.getInstance(); console.log(config1 config2); // true console.log(配置1:, config1.getConfig()); config1.setApiUrl(https://newapi.example.com); console.log(配置2:, config2.getConfig()); // 验证 config2 也反映了更改分析ConfigManager函数执行时它创建了一个私有作用域其中包含instance变量和init函数。ConfigManager返回一个对象{ getInstance: function() { ... } }。getInstance函数是一个闭包它持续拥有对instance变量的访问权限。当第一次调用configManagerCreator.getInstance()时instance为undefinedinit()函数被调用创建并返回实际的配置对象并将其赋值给instance。后续调用configManagerCreator.getInstance()时instance已经存在直接返回现有实例。“线程安全”性在 JavaScript 语境下这种闭包实现方式在 JavaScript 的单线程环境中具有很好的“线程安全”性因为它通过以下方式避免了多次实例化私有变量隔离instance变量完全封装在ConfigManager函数的作用域内外部无法直接访问或修改从而保证了其私有性。惰性加载与原子性init()函数只有在第一次调用getInstance()时才会被执行。在getInstance()内部的if (!instance)判断和instance init()赋值操作是原子性的在同一个事件循环任务中完成。这意味着即使在异步环境中只要getInstance()被调用它会立即检查instance的状态并确保init()只被调用一次。在init()执行期间其他对getInstance()的调用将等待当前任务完成然后再次检查instance此时instance已被赋值直接返回。三、利用立即执行函数表达式IIFE实现单例模式立即执行函数表达式Immediately Invoked Function ExpressionIIFE是 JavaScript 中一种常见的模式它在定义后立即执行。IIFE 创建了一个独立的作用域可以有效地隐藏内部变量防止它们污染全局作用域。这使得 IIFE 成为实现单例模式的理想选择。3.1 IIFE 实现原理核心思想是将单例的创建逻辑封装在一个 IIFE 中。IIFE 内部定义私有变量如instance和私有方法。IIFE 返回一个公共接口对象其中包含getInstance方法。由于 IIFE 在脚本加载时立即执行一次它会立刻创建并返回一个单例工厂对象这个工厂对象维护着私有的instance变量。3.2 IIFE 实现示例// 定义一个事件总线 const EventBus (function() { let instance; // 私有变量用于存储单例实例 let subscribers {}; // 存储事件订阅者 // 内部构造函数负责初始化实例 function init() { console.log(EventBus 实例被初始化); return { // 发布事件 publish: function(eventName, data) { if (subscribers[eventName]) { subscribers[eventName].forEach(callback { try { callback(data); } catch (error) { console.error(Error in event handler for ${eventName}:, error); } }); } }, // 订阅事件 subscribe: function(eventName, callback) { if (!subscribers[eventName]) { subscribers[eventName] []; } subscribers[eventName].push(callback); console.log(Subscribed to ${eventName}); }, // 取消订阅 unsubscribe: function(eventName, callback) { if (subscribers[eventName]) { subscribers[eventName] subscribers[eventName].filter(cb cb ! callback); console.log(Unsubscribed from ${eventName}); } }, // 获取所有订阅者 (仅用于演示实际可能不暴露) getSubscriberCount: () Object.keys(subscribers).length }; } // IIFE 返回的公共接口 return { getInstance: function() { if (!instance) { instance init(); // 如果实例不存在则创建 } return instance; // 返回唯一实例 } }; })(); // 立即执行 // 获取单例实例 const bus1 EventBus.getInstance(); const bus2 EventBus.getInstance(); console.log(bus1 bus2); // true // 订阅事件 bus1.subscribe(userLoggedIn, (user) { console.log(用户 ${user.name} 已登录); }); bus2.subscribe(userLoggedIn, (user) { console.log(欢迎 ${user.name} 再次回来); }); bus1.subscribe(productAdded, (product) { console.log(产品 ${product.name} (ID: ${product.id}) 已添加到购物车。); }); // 发布事件 bus2.publish(userLoggedIn, { name: Alice, id: 123 }); bus1.publish(productAdded, { name: Laptop, id: P001 }); console.log(事件总线订阅者数量:, bus1.getSubscriberCount());分析整个单例逻辑被包裹在一个(function() { ... })();IIFE 中。当脚本加载时IIFE 立即执行。它创建了私有变量instance和subscribers以及init函数。IIFE 返回一个对象{ getInstance: function() { ... } }并将其赋值给EventBus变量。后续对EventBus.getInstance()的调用与闭包实现类似通过检查instance变量来确保init()只被调用一次。“线程安全”性在 JavaScript 语境下IIFE 实现与闭包实现具有相同的“线程安全”特性私有作用域IIFE 创建了一个独立的作用域instance变量完全私有不可从外部直接访问或修改。初始化时机与惰性加载IIFE 在脚本加载时执行一次但实际的单例对象 (init()) 仍然是惰性加载的即只有在第一次调用getInstance()时才会被创建。这种机制确保了在单线程事件循环中init()逻辑只执行一次从而防止了异步操作导致的多次实例化问题。优势隔离性更强IIFE 立即执行并返回单例工厂其内部所有变量包括instance都只存在于 IIFE 的闭包作用域中不会污染全局命名空间。代码简洁将单例的定义和获取封装在一起使得代码结构更加紧凑。四、利用 ES Modules 实现单例模式ES ModulesESM是 JavaScript 官方的模块化标准它在现代 JavaScript 开发中扮演着核心角色。ES Modules 的一个关键特性是模块在应用程序的生命周期中只会被加载和评估一次。当一个模块被多次导入时它返回的是同一个模块实例的引用。这一特性使得 ES Modules 自然而然地成为实现单例模式的强大且推荐的方式。4.1 ES Modules 实现原理核心思想是创建一个独立的模块文件例如singletonService.js。在该模块内部直接创建并导出一个实例或者导出一个工厂函数该工厂函数在内部维护一个私有实例并始终返回同一个实例。应用程序中任何需要使用该单例的地方只需导入该模块。由于模块的缓存机制所有导入都将指向同一个实例。4.2 ES Modules 实现示例文件loggerService.js// loggerService.js class Logger { constructor() { if (Logger._instance) { // 检查是否存在实例 return Logger._instance; } this.logs []; this.id Math.random().toString(36).substring(2, 9); // 生成一个唯一ID用于演示 console.log(Logger 实例被创建ID: ${this.id}); Logger._instance this; } log(message) { const timestamp new Date().toISOString(); this.logs.push([${timestamp}] ${message}); console.log([ID:${this.id}] Log: ${message}); } getLogs() { return this.logs; } } // 方式一直接导出 Logger 类并在需要时实例化这种方式依赖调用者自己保证单例 // export default Logger; // 方式二在模块内部创建实例并直接导出 (推荐更符合ESM单例语义) const instance new Logger(); // 模块加载时立即创建实例 export default instance; // 方式三导出工厂函数内部维护实例 (结合了惰性加载和ESM特性但通常方式二更直接) /* let loggerInstance; export function getLoggerInstance() { if (!loggerInstance) { loggerInstance new Logger(); } return loggerInstance; } */文件main.js// main.js import logger from ./loggerService.js; // 导入模块的默认导出 logger.log(主模块开始运行...); logger.log(主模块执行了一些操作...); // 假设有一个辅助模块 import ./helper.js; logger.log(主模块完成); // 访问日志 console.log(所有日志:, logger.getLogs());文件helper.js// helper.js import logger from ./loggerService.js; // 导入同一个 Logger 实例 logger.log(辅助模块执行中...); logger.log(辅助模块处理了一些数据...);运行方式由于使用了 ES Modules你需要在支持模块的环境中运行此代码例如在 HTML 文件中通过script typemodule srcmain.js/script引入。使用 Node.js 运行确保package.json中type: module或使用.mjs扩展名。控制台输出示例Logger 实例被创建ID: ... // 只会创建一次 [ID:...] Log: 主模块开始运行... [ID:...] Log: 主模块执行了一些操作... [ID:...] Log: 辅助模块执行中... [ID:...] Log: 辅助模块处理了一些数据... [ID:...] Log: 主模块完成 所有日志: [...]分析当main.js导入loggerService.js时loggerService.js模块会被加载并执行一次。在loggerService.js内部const instance new Logger();会被执行创建一个Logger的实例。这个实例被export default instance;导出。当helper.js也导入loggerService.js时JavaScript 模块加载器会识别出loggerService.js已经被加载过因此它不会再次执行模块代码而是直接返回第一次加载时缓存的导出对象即那个唯一的Logger实例。因此main.js和helper.js中的logger变量都指向同一个Logger实例。“线程安全”性在 JavaScript 语境下ES Modules 是实现 JavaScript 单例模式最自然、最健壮且最“线程安全”的方式之一原因在于其底层机制模块加载和缓存机制ESM 规范明确规定一个模块在整个应用程序的生命周期中只会被加载和评估一次。首次导入时模块代码执行导出的值被计算并缓存。后续所有对同一模块的导入都将返回这个缓存的值。这从根本上保证了模块内部创建的单例实例的唯一性。避免异步竞态模块的加载和评估过程本身是同步的或在异步加载完成后其评估过程是原子性的。一旦模块被评估其导出的单例就确定了。这消除了在异步操作中因多次尝试实例化而导致的竞态条件。明确的依赖管理import和export语法提供了清晰的依赖关系易于理解和维护。局限性Web Workers 隔离尽管 ES Modules 在单个“realm”如主线程中提供单例行为但每个 Web Worker 都有其独立的模块环境。如果在主线程和 Web Worker 中都导入同一个单例模块它们将各自拥有一个独立的实例。要实现跨 Worker 的共享单例需要更复杂的通信或共享内存机制。不适用于传统script标签ESM 需要通过typemodule或 Node.js 模块环境来运行。五、高级考量与 JavaScript 中的“线程安全”深度解析5.1 JavaScript 的并发模型与“线程安全”的独特视角理解 JavaScript 中单例模式的“线程安全”性必须深入理解 JavaScript 的并发模型单线程事件循环JavaScript 在浏览器和 Node.js 环境中其主线程都是单线程的通过事件循环Event Loop来处理任务。这意味着在任何给定时间点只有一段 JavaScript 代码在执行。因此传统意义上的“多个线程同时修改同一块内存”的竞态条件在主线程中是不存在的。异步操作与任务队列JavaScript 通过异步编程来处理耗时操作如网络请求、定时器、用户交互。这些异步操作完成后它们的回调函数会被放入任务队列或微任务队列等待事件循环空闲时执行。“线程安全”的侧重点在 JavaScript 主线程中单例的“线程安全”主要关注的是防止在异步回调中重复实例化如果一个单例的getInstance方法在异步操作如fetch请求返回后中被多次调用并且其内部的instance检查和赋值逻辑不能正确处理就可能导致多次实例化。我们前面讨论的闭包、IIFE 和 ESM 模式都通过私有变量和原子性的判断/赋值操作有效地解决了这个问题。模块评估的唯一性ESM 模式的“线程安全”性直接来源于其模块加载器保证模块代码只评估一次的机制。5.2 惰性初始化与饿汉式初始化惰性初始化Lazy Initialization实例在第一次被需要时才创建。优点节省资源如果实例从未使用则不会占用内存。缺点首次使用时可能存在轻微的延迟初始化逻辑需要有线程安全保障我们前面讨论的闭包和 IIFE 结合getInstance方法就是惰性加载的。示例闭包和 IIFE 模式中init()函数只有在getInstance()第一次被调用时才执行。饿汉式初始化Eager Initialization实例在应用程序启动时或模块加载时就创建。优点实例随时可用没有首次使用时的延迟。缺点即使实例从未使用也会占用资源。示例ES Modules 模式中如果直接导出const instance new Logger();那么Logger实例在模块加载时就创建了。选择哪种方式取决于具体需求。对于资源消耗较小或立即需要使用的单例饿汉式可能更简单直接。对于资源消耗大且不确定是否会被使用的单例惰性初始化更合适。5.3 Web Workers 与跨线程单例如前所述Web Workers 在独立的线程中运行每个 Worker 都有自己的全局作用域和模块加载环境。这意味着// main.js import singleton from ./mySingleton.js; singleton.setValue(1); console.log(Main thread singleton value:, singleton.getValue()); // 1 const worker new Worker(worker.js, { type: module }); worker.postMessage(request_value);// worker.js import singleton from ./mySingleton.js; singleton.setValue(2); // 这会修改worker自己的单例实例而不是主线程的 console.log(Worker singleton value:, singleton.getValue()); // 2 self.onmessage (e) { if (e.data request_value) { self.postMessage(singleton.getValue()); // 发送worker的单例值 } };// mySingleton.js (示例) let _value 0; class MySingleton { constructor() { if (MySingleton._instance) return MySingleton._instance; MySingleton._instance this; } setValue(val) { _value val; } getValue() { return _value; } } export default new MySingleton();结果主线程和 Worker 将各自拥有一个MySingleton实例它们的值是独立的。要实现真正的跨 Web Worker 共享单例状态你需要消息传递将其中一个线程作为“主”单例其他线程通过postMessage和onmessage与其通信请求或更新状态。SharedArrayBuffer和Atomics这是 JavaScript 中唯一提供共享内存和原子操作的机制可以用于在不同 Worker 之间共享和同步低级数据。但这种方式实现复杂通常用于高性能计算而不是简单的单例模式。因此对于绝大多数 JavaScript 单例模式的讨论我们主要关注在单个主线程或单个 Web Worker 内部如何保证实例的唯一性以及防止异步操作导致的重复实例化。六、单例模式的实际应用场景配置管理器 (Configuration Manager)整个应用只需要一个配置对象负责加载和提供应用配置。日志记录器 (Logger)所有的日志信息都应该通过同一个日志实例来记录确保日志的统一输出和管理。事件总线 (Event Bus / PubSub)应用中的所有组件通过同一个事件总线来发布和订阅事件实现解耦通信。状态管理器 (State Manager)简单的全局状态管理例如一个用于存储用户登录状态的 Store。数据库连接池 (Database Connection Pool)在 Node.js 后端应用中通常只需要一个数据库连接池实例来管理所有数据库连接。缓存管理器 (Cache Manager)统一管理应用内的数据缓存。七、单例模式的优缺点7.1 优点资源节约避免了重复创建对象尤其是对于那些创建开销大、或需要占用大量系统资源的实例如数据库连接、网络连接。全局访问点提供了一个明确的、唯一的全局访问点方便所有模块使用。统一管理确保所有操作都通过同一个实例进行便于控制和协调如日志、配置。延迟初始化可以实现惰性加载只在第一次需要时才创建实例。7.2 缺点紧耦合与测试困难单例模式引入了全局状态使得代码模块之间产生隐式依赖增加了模块间的耦合度。这使得单元测试变得困难因为每次测试都需要一个干净的、独立的单例实例。违反单一职责原则单例类不仅要负责其核心业务逻辑还要负责控制自身的唯一实例化这违反了单一职责原则。隐藏依赖客户端代码直接通过全局访问点获取单例而不是通过构造函数或参数注入这使得依赖关系不那么明显增加了代码的复杂性和理解难度。过度使用很容易被滥用将本不应该全局化的对象设计成单例导致系统变得僵硬和难以扩展。八、替代方案与何时避免使用单例考虑到单例模式的缺点尤其是在现代 JavaScript 开发中我们常常有更好的替代方案依赖注入 (Dependency Injection, DI)将依赖作为参数传递给构造函数或方法而不是通过全局访问点获取。这极大地提高了代码的可测试性和模块化。工厂模式 (Factory Pattern)如果你需要控制对象的创建过程但并不限制只有一个实例工厂模式是更好的选择。ES Modules 的自然单例对于许多场景ES Modules 的默认行为模块只评估一次已经足够满足“单实例”的需求无需额外编写复杂的单例模式代码。直接导出一个对象或一个函数然后在需要的地方导入即可。组件化与状态管理库在前端框架如 React, Vue中全局状态管理通常通过专门的状态管理库如 Redux, Vuex来实现这些库提供了更结构化、可预测和可测试的方式来管理全局状态而不是依赖于手写的单例。何时避免使用单例当对象不需要严格限制为唯一实例时。当对象状态是局部的不应被全局共享时。当需要高可测试性希望轻松模拟和替换依赖时。当依赖关系应该显式声明而不是隐式获取时。九、关于 JavaScript 单例模式的几点总结在 JavaScript 中单例模式是一种确保类只有一个实例并提供全局访问点的设计模式。通过利用闭包、IIFE 或 ES Modules我们可以有效地实现这一目标。其中ES Modules 因其模块加载机制的天然优势是现代 JavaScript 中实现单例模式最简洁、最健壮且最推荐的方式。理解 JavaScript 的单线程事件循环机制对于理解单例模式的“线程安全”性至关重要。这里的“线程安全”主要指防止在异步操作中重复实例化而非传统多线程环境下的内存同步问题。对于 Web Workers 这种真正的多线程环境标准的单例模式无法跨线程共享实例需要额外的通信或共享内存机制。在权衡其优缺点后我们应谨慎选择单例模式并在有更优替代方案时优先考虑它们。