Cocos2D-X设计模式:单例模式

本系列文章将按照如下思路进行模式挖掘： 
– 分析为什么要使用此模式（即设计决策）
– 使用此模式的优缺点是什么（任何事务都有两面性，设计模式也不例外） 
– 在游戏开发中如何运用此模式（自己对于模式运用场景的理解） 
– 此模式经常与哪些模式配合使用（这个也基本是从GoF的书籍里面）

应用场景

Cocos2D-x 3.0 中的单例如下：Director,TextureCache,SpriteFrameCache,AnimationCache,UserDefault，GLProgramStateCache，ScriptEngineManager，PoolManager，FileUtils，Profiler，SimleAudioEngie，Configuration，Application，GLProgramCache

为什么会存在这样一些单例呢？

Director单例，它负责管理初始化OpenGL渲染窗口以及游戏场景的流程控制，它是cocos2dx游戏开发中必不可少的类之一。为什么要把此类设计成单例对象呢？因为，一个游戏只需要有一个游戏窗口就够了，所以，只需要初始化一次OpenGL渲染窗口。而且场景的流程控制功能，也只需要存在一个这样的场景控制对象即可。为了保证Director类只存在一个实例对象，就必须使用单例模式。但是如果我们需要在一个应用当中嵌套多个Cocos2D-X的实例，那么Director类是不能作为单例的。

TextureCache单例。此类主要负责加载游戏当中所需要的纹理图片资源，这些资源加载好以后，就可以一直保留在内存里面，当下次再需要使用此纹理的时候，直接返回相应的纹理对象引用就可以了，无需再重复加载。当然，这样做可能会很浪费内存，所以cocos2dx采用了一种引用计数的方式来管理对象内存，当纹理刚被加载进来的时候，引用计数为1。如果使用此纹理对象创建一个精灵，那么此纹理对象引用会加1.如果精灵被释放，则相应的引用计数减1.当纹理的引用计数变为0的时候，纹理所占用的内存自然就会被释放掉。这也是为什么在收到内存警告的时候，会调用TextureCache的removeUnusedTextures方法。此方法会将所有引用计数为1的纹理对象全部释放掉。单从字面上看，Cache，即缓存的意思。它以牺牲一定的内存压力为代价，带来的是游戏性能的提升。这种cache技术，在游戏开发中比比皆是。注：IO操作对游戏性能影响非常大，要极力避免！！！

类似的SpriteFrameCache、AnimationCache和GLProgramCache，它们也都是缓存类，分别负责缓存SpriteFrame、Animation和GLProgram。这样做的原因无非就是为了性能，以空间换时间。

UserDefault 此类主要是用来保存游戏中的数据用的，它会创建一个xml文件，并把用户自定义的数据以key-value的形式存储到此xml文件中。此类为什么会变成单例类呢？原因也很简单，因为类似这种操作数据文件，或者配置文件的类，通常只需要在程序运行过程中存在一个实例即可。但是，我们真的需要这个单例吗？我们实际开发游戏的过程中，一般也会有自己的数据持久化方法，通常也会被设计成单例类。其实如果只是几个数据持久化方法，完全可以用几个匿名名字空间中的函数来解决。

ScriptEngineManager，此类包含一个实现了ScriptEngineProtocl接口的对象引用，它可以帮助我们方便地找到LuaEngine对象。这里单例的作用纯粹变成了LuaEngine的一个全局访问点了。为什么不直接把LuaEngine作为单例对象呢？是否在某些情况之下，可能需要创建多个LuaEngine对象？如果考虑到cocos2d-x还可以同时支持其它的脚本引擎，那也可以相应的把另外的脚本引擎设计成单例类。当然，这样做无疑会使引擎里面的单例过多。考虑到单例模式近年来被广大开发者所诟病，已将其列入“反模式”。这里引用CCScriptEngineManager单例类，给其它引擎对象提供访问的惟一全局点，这也不失为一个办法。不知我的推测是否正确？

PoolManager，此类是用来管理AutoReleasePool对象栈的。因为cocos2d-x采用的是基于引用计数的方式来管理动态内存，所以采用引用计数的被托管对象都被放入一个当前的autoReleasePool里面去了。当Director的mainLoop每次更新的时候，都会调用PoolManager的pop方法，把当前autoReleasePool里面的所有autoRelease对象的托管状态设置为false，同时把该autoReleasePool清空，而清空的时候则会调用autoReleasePool里面所有对象的release方法来释放内存。此类为什么要设计与单例呢？因为多个地方需要引用此类，为了方便引用，所以设计成单例。

FileUtils类。该类是一个工具类。工具类和配置文件类，它们绝大多数情况也都是设计成单例的。因为它们没有存在多个实例的必要。同时，它们也可以实现为一组类方法，这样无需创建对象也能够使用。

Profiler类，该类负责cocos2d的性能其运行情况分析，也是一个工具类。所以它设计成单例类的理由与FileUtils类差不多。这个单例也显得有点多余，用名字简单+一些全局函数就可以解决了。

Configuration类也被设计成了单例对象，此类主要负责管理cocos2d-x的一些OpenGL变量信息。这些信息本可以通过定义一些宏，或者通过一些全局变量来解决的。这里设计成单例类也是更加“面向对象”的体现。因为这些配置信息根本不需存在多个对象。此类，完全可以变成Director类的一个内部私有类，然后通过Director来提供访问点。

Application类的设计初衷是获得平台相关的一些信息，最重要的是运行游戏的主循环（main loop）。一个游戏只需要一个应用程序实例，所以设计与单例。

SimpleAudioEngine类，它也被设计成了一个单例类。因为它提供给了开发人员最简单的声音操作接口，可以方便地处理游戏中的背景音乐和音效。此类同时还应用了外观模式，把CocoDenshion子系统中的复杂功能给屏蔽起来了，简化了客户端程序员的调用。该类为什么要设计成单例，是因为到处都要访问它。设计成单例会很方便，而且它与其它对象没有什么联系，不好使用对象组合。

使用单例模式的优缺点

优点：

1）简单易用，限制一个类只有一个实例，可以降低创建多个对象可能会引起的内存问题的风险，包括内存泄漏、内存占用问题。

缺点：

单例模式因为提供了一个全局的访问点，你可以在程序的任何地方轻而易取地访问到，这本身就是一种高耦合的设计。一旦单例改变以后，其它模块都需要修改。另外，单例模式使得对象变成了全局的了。学过面对对象编程的人都知道，全局变量是非常邪恶的，要尽量不要使用。而且单例模式会使得对象的内存在程序结束之前一直存在，在一些使用GC的语言里面，这其实就是一种内存泄漏，因为它们永远都不到释放。当然，也可以通过提供一些特殊的方法来释放单例对象所占用的内存，比如前面提到的XXXCache对象，都有相应的Purge方法。最后，cocos2dx里面实现的单例，99%都不是线程安全的。

在讨论优缺点的时候，读者想必也看出来了，缺点比优点多多了。这是给大家提个醒，以后使用单例模式的时候要谨慎，不要滥用。因为此模式最容易被滥用。只有真正符合单例模式应用场景的时候，才能考虑。不要为了访问方便，就把任何类都弄成单例，这样，到最后，你会发现你的程序里面就只剩下一堆单例和工厂了。

此外，单例模式正在消减，比如ActionManager和TouchDispatcher在cocos2d1.0之前也是单例，现在变成了Director类的属性了。而且Riq（cocos2d-iphone的作者）也有在邮件中提到，以后Director对象也会变成非单例，并且允许一个游戏中创建多个游戏窗口。

大多数时候，我们在考虑实现一个功能的时候，首先想到的一定不要是单例。单例就像全局变量，它会散布在你的程序的各个地方。推荐尽可能地用类函数，名字空间+全局函数，或者内部类来解决。而且使用单例实际上是一种程序员精神懒惰的表现，不想去管理内存，因为想不清楚内存什么时候该释放。反正我只有一个对象，这点内存不算什么。反正我以后对单例是无爱了，大多数使用单例的场景，其实都可以有替代方案。

单例模式的定义

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局的访问点。

代码片段：

public class Singleton
{
   public:
   //全局访问点
   static Singleton* SharedSingleton()
   {
       if(NULL == m_spSingleton)
       {
           m_spSingleton = new Singleton();
       }
       return m_spSingleton;
   }
  private:
  static Singleton* m_spSingleton;
  Singleton();
  Singleton(const Singleton& other);
  Singleton& operator=(const Singleton& other);
};
Singleton* Singleton::m_spSingleton = NULL;

注意，这里只是最基本的实现，它没有考虑到线程安全，也没有考虑内存释放。但是，这个实现有两个最基本的要素。一：定义一个静态变量，并把构造函数等设置为私有的。二：提供一个全局的访问点给外部访问。

游戏开发中如何运用此模式呢？

众所周知，游戏开发中离不开游戏数据保存和加载。这些数据包括关卡数据、游戏进行中的状态数据等。这样一些信息很多游戏模块中都需要访问，所以可以为之设置一个单例对象。我武断地认为，客户端游戏开发中，至少需要一个单例对象。因为一个全局的访问点可以方便很多对象之间的交互。根据之前的讨论，也可以把一些时觉需要用到的类引用保存在此单例对象中，不过只需要保存弱引用即可。使用单例，最严重的就是怕内存泄漏，所以，大家尽量不要把单例类设计地太复杂，也不要让它包含过多的动态内存管理工作。

与其它模式的关系

单例模式一般与工厂模式配合使用，因为一般会将工厂类设计成单例对象。

比如前面提到的各种cache类，它们也可以看作是某种意义上的工厂对象。由于工厂就是负责生产对象的，而cache类都可以根据用户的需要生产出相应的对象。

最后，看看cocos2d-x创始人王哲对于什么是单例的看法：“这么说吧，我设计成单例基本就一种抽象情况：独占性资源。比如某个硬件IO （如TouchDispatcher,Accelerometer），比如公用的缓存区（TextureCache,UserDefault）。后来有人抱怨单例类太多，想销毁整个cocos2d instance再重建很麻烦，所以小明和riq就把大量单例类放到Director里面管理。”

那到底什么时候该使用Singleton，什么时候要避免使用Singleton呢？

考虑使用的场景这个类必须只能有一个实例，且必须只能让客户端通过一个全局的访问点来访问。比如一个日志类。但是日志类可以用面向方面的编程来解决，而且这种解决问题的方法比单例更优雅。不该使用的场景。几乎任何场景都不要优先想到单例，虽然使用它刚开始会带来不少好处。但是，随着时间的推移，它的各种弊端就开始显现出来了。另外，在多线程环境中，单例也是个坑。几乎很少有人可以正确地写出一个线程安全的单例类。