ما هو نمط التصميم Singleton | دليلك الشامل

فريق فرصةآخر تحديث 05/12/2024

17 دقيقة

ما هو نمط التصميم Singleton | دليلك الشامل

في عالم تصميم البرمجيات، برز نمط تصميم Singleton كواحد من أكثر الأنماط الأساسية والأكثر استخدامًا. سواء كنت مطورًا متمرسًا أو مبتدئًا، فإن فهم هذا النمط أمر بالغ الأهمية لإنشاء كود فعّال وقابل للصيانة. يضمن نمط Singleton أن يكون للفئة مثيل واحد فقط مع توفير نقطة وصول عالمية إلى هذا المثيل. وهذا يجعله خيارًا مثاليًا لإدارة الموارد المشتركة، مثل إعدادات التكوين أو اتصالات قاعدة البيانات.

في هذا الدليل الشامل، سنستكشف نمط تصميم Singleton بعمق. سنغطي مكوناته الرئيسية وطرق التنفيذ المُختلفة والسيناريوهات التي يبرز فيها أكثر. سنتعمَّق أيضًا في العيوب والمزالق المحتملة التي قد تواجهها، ونقدم نصائح عمليّة حول كيفية التخفيف من هذه التحديات. سواءً كنت تتطلع إلى تعزيز فهمك لأنماط التصميم أو تسعى إلى تنفيذ نمط Singleton في مشاريعك، فستُوفِّر لك هذه المقالة كل المعرفة التي تحتاجها.

دورات البرمجة والتكنولوجيا طوّر مهاراتك في البرمجة ومجالات التكنولوجيا المختلفة من خلال الالتحاق بدورات مميزة مجانية ومدفوعة على موقع فرصة.كوم تصفّح الدورات الآن

ما هو نمط تصميم طريقة Singleton؟

نمط تصميم طريقة Singleton

تُعد طريقة Singleton أو نمط تصميم Singleton أحد أبسط أنماط التصميم، فهي تضمن أن يكون للفئة مثيل واحد فقط، وتوفر نقطة وصول عالميَّة إليه. يُعد هذا النمط مفيدًا بشكل خاص في السيناريوهات التي تتطلب وجود مثيل واحد لتنسيق الإجراءات عبر النظام، مثل إدارة اتصال بقاعدة بيانات أو التعامل مع التسجيل عبر أجزاء مُختلفة من التطبيق.

في جوهره، يضمن نمط Singleton عدم إمكانيَّة إنشاء مثيل للفئة أكثر من مرة. ويتم تحقيق ذلك من خلال التحكم في عملية إنشاء المثيلات داخل الفئة نفسها. تحتفظ الفئة عادةً بمتغير ثابت لحمل المثيل الفردي وتوفر طريقة ثابتة أو خاصية للوصول إليه. عندما يطلب العميل المثيل، تتحقق الفئة مما إذا كان المثيل موجودًا بالفعل. إذا لم يكن موجودًا، يتم إنشاء المثيل وتخزينه، وتعيد الطلبات اللاحقة المثيل الموجود.

متى نستخدم نمط تصميم طريقة Singleton؟

يتم استخدام نمط تصميم Singleton في الحالات التالية:

عند إدارة الاتصالات بقاعدة بيانات، حيث غالبًا ما يكون من المفيد وجود مثيل واحد لإدارة مجموعة الاتصالات. يضمن هذا إعادة استخدام الاتصالات بكفاءة وإغلاقها بشكل صحيح عندما لا تكون هناك حاجة إليها بعد الآن.
في التطبيقات التي يلزم فيها الوصول إلى إعدادات التكوين عالميًا، ويجب استخدام كائن مفرد لإدارة هذه الإعدادات. يضمن هذا أن تستخدم جميع أجزاء التطبيق نفس قيم التكوين، وأن تنعكس أي تغييرات في التكوين بشكل متسق في جميع أنحاء التطبيق.
آلية التسجيل هي مثال شائع حيث يتم استخدام نمط Singleton. من خلال وجود مثيل واحد من مسجل، يمكن لجميع أجزاء التطبيق تسجيل الرسائل بشكل متسق إلى نفس الوجهة، سواء كان ملفًا أو وحدة تحكم أو خدمة تسجيل خارجية. يعمل هذا على مركزية وظيفة التسجيل ويجعل إدارتها أسهل.
عندما يحتاج التطبيق إلى تخزين البيانات مؤقتًا لأسباب تتعلق بالأداء، يمكن لنمط Singleton إدارة التخزين المؤقت. يضمن هذا أن تكون البيانات المخزنة مؤقتًا متسقة ويمكن الوصول إليها عالميًا، مما يتجنب التكلفة الإضافيَّة لإعادة إنشاء ذاكرة التخزين المؤقت عدة مرات.
في بعض الحالات، قد يحتاج التطبيق إلى التحكم في حالة عالمية أو الحفاظ على مثيل واحد لحالة، ويمكن لنمط Singleton ضمان وجود مثيل واحد فقط يدير هذه الحالة، مما يوفر نقطة تحكم ووصول واحدة.
بالنسبة للتطبيقات التي تحتوي على إعدادات تكوين تحتاج إلى التحميل والوصول إليها طوال دورة حياة التطبيق، يمكن استخدام Singleton لتحميل هذه الإعدادات مرة واحدة وتوفير نقطة وصول عالمية. يتجنب هذا التكلفة الإضافية لتحميل الإعدادات عدة مرات ويضمن الاتساق.
في الأنظمة التي تتطلب الوصول المباشر إلى الأجهزة - على سبيل المثال، الطابعات وبطاقات الرسومات - يمكن لنمط Singleton إدارة الواجهة للأجهزة. يضمن هذا وجود مثيل واحد فقط يتواصل مع الأجهزة، مما يمنع الصراعات والتنافس على الموارد.
في الأنظمة الموزعة، غالبًا ما يتم استخدام وكلاء الخدمة للتفاعل مع الخدمات عن بُعد. إن استخدام Singleton لوكيل الخدمة قد يساعد في إدارة الاتصال والتواصل مع الخدمة البعيدة، مما يضمن أن جميع أجزاء التطبيق تستخدم نفس مثيل الوكيل.

اقرأ أيضًا: أفضل لغات البرمجة لتتعلمها في 2025

أشكال نمط التصميم Singleton

يُمكن إنشاء مثيلات نمط Singleton بطريقتين:

1. التهيئة المبكرة (Early initialization)

تتضمن عملية التهيئة المبكرة إنشاء مثيل للفئة المنفردة في وقت تحميل الفئة. يضمن هذا النهج إنشاء المثيل المنفرد بمُجرَّد تحميل الفئة في الذاكرة، بغض النظر عما إذا كانت هناك حاجة فعليَّة للمثيل في تلك اللحظة. بمعنى آخى، يتم تهيئة الفئة سواء كانت ستُستخدم أم لا. الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي بساطتها، حيث تقوم ببدء تشغيل الفئة في وقت تحميل الفئة. وأما عيبها هو أنَّ الفئة يتم تهيئتها دائمًا سواءً كانت قيد الاستخدام أم لا.

تُعد التهيئة المُبكرة مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دائمًا وجود نسخة مفردة حيث لا تشكل تكلفة الإنشاء مصدر قلق.

2. التهيئة الكسولة (Lazy initialization)

تؤدي التهيئة البطيئة إلى تأخير إنشاء المثيل المفرد حتى الحاجة إليه. يساعد هذا النهج في تحسين استخدام الموارد لأن المثيل لا يتم إنشاؤه إلا عند طلبه لأول مرة. أي أنّه يتم تهيئة الفئة فقط عندما تكون مطلوبة. يمكن أن يوفر عليك ذلك إنشاء مثيلات للفئة عندما لا تحتاج إليها. بشكلٍ عام، يتم استخدام التهيئة الكسولة عندما نقوم بإنشاء فئة Singleton.

تُعد التهيئة الكسولة مثالية للتطبيقات التي قد لا تكون هناك حاجة فيها دائمًا إلى المثيل الفردي، أو عندما تكون تكلفة إنشاء المثيل كبيرة ويجب تأجيلها حتى تصبح ضروريَّة.

المكون الرئيسي لنمط تصميم طريقة Singleton

يضمن نمط تصميم Singleton أن يكون للفئة مثيل واحد فقط ويوفر نقطة وصول عالمية إلى هذا المثيل. هذا النمط مفيد عندما تكون هناك حاجة إلى كائن واحد بالضبط لتنسيق الإجراءات عبر النظام. وفيما يلي المكونات الرئيسية لنمط Singleton:

1. المُنشئ الخاص (Private Constructor)

يتضمن نمط Singleton منشئًا خاصًا، يعمل كحاجز ضد المحاولات الخارجية لإنشاء مثيلات لفئة Singleton. يضمن هذا أن يكون للفئة سيطرة على عملية إنشاء مثيلاتها أو يضمن عدم إمكانية إنشاء مثيل للفئة باستخدام الكلمة الأساسيَّة.

2. المثيل/العضو الثابت الخاص (Static Member)

يستخدم نمط Singleton عضوًا ثابتًا بحيث يضمن تخصيص الذاكرة مرة واحدة فقط، مع الحفاظ على المثيل الوحيد لفئة Singleton. عادةً ما يتم تهيئة هذا المتغير إلى null ولا يتم تعيينه إلا مرة واحدة.

3. الطريقة الثابتة العامة (Static Factory Method)

إن أحد الجوانب الحاسمة لنمط Singleton هو وجود طريقة مصنع ثابتة. تعمل هذه الطريقة كبوابة، وتوفر نقطة وصول عالمية إلى كائن Singleton. عندما يطلب شخص ما مثيلًا، تقوم هذه الطريقة إما بإنشاء مثيل جديد - إذا لم يكن موجودًا - أو إرجاع المثيل الموجود إلى المتصل. بمعنى آخر، تتحقَّق هذه الطريقة مما إذا كان متغير المثيل الثابت فارغًا، وإذا كان الأمر كذلك، فإنها تقوم بتهيئته. وإلا، فإنها ببساطة تعيد المثيل الموجود.

5 طرق مختلفة لتطبيق نمط تصميم طريقة Singleton

في بعض الأحيان، نحتاج إلى وجود مثيل واحد فقط من فئتنا مثل اتصال قاعدة بيانات واحد مشترك بين عدة كائنات، حيث إن إنشاء اتصال قاعدة بيانات منفصل لكل كائن قد يكون مكلفًا. وبالمثل، يمكن أن يكون هناك مدير تكوين واحد أو مدير أخطاء في تطبيق يتعامل مع كافة المشكلات بدلاً من إنشاء مديرين متعددين.

والآن، لنلقي نظرة على خيارات التصميم المختلفة لتنفيذ مثل هذه الفئة. إذا كان لديك فهم جيد لمتغيرات الفئة الثابتة ومعدلات الوصول، فلن تكون هذه مهمة صعبة.

الطريقة الأولى: التنفيذ الكلاسيكي || اجعل getInstance() ثابتًا لتنفيذ نمط تصميم طريقة Singleton

لقد أعلنا هنا عن getInstance() ثابتًا حتى نتمكن من استدعائه دون إنشاء مثيل للفئة. في المرة الأولى التي يتم فيها استدعاء getInstance()، فإنه ينشئ كائنًا جديدًا من نوع singleton وبعد ذلك، يعيد نفس الكائن فقط.

لا يتم إنشاء كائن Singleton حتى نحتاج إليه ونستدعي طريقة getInstance(). وهذا ما يسمى بالاستعانة بالمثيلات الكسولة. تكمن المشكلة الرئيسية في الطريقة المذكورة أعلاه في أنها ليست آمنة للخيوط. ينشئ تسلسل التنفيذ هذا كائنين للكائن المنفرد. وبالتالي، فإن هذا التنفيذ الكلاسيكي ليس آمنًا للخيوط.

الطريقة الثانية: جعل getInstance() متزامنًا لتنفيذ نمط تصميم طريقة Singleton

هنا، يضمن استخدام Synced أن يتمكن خيط واحد فقط في كل مرة من تنفيذ getInstance(). العيب الرئيسي لهذه الطريقة هو أن استخدام Synced في كل مرة أثناء إنشاء كائن singleton مُكلِّف وقد يقلل من أداء برنامجك. ومع ذلك، إذا لم يكن أداء getInstance() مهمًا لتطبيقك، فإن هذه الطريقة توفر حلاً نظيفًا وبسيطًا.

الطريقة الثالثة: تنفيذ نمط تصميم فردي قائم على المُنشئ الثابت

لقد أنشأنا هنا مثيلًا لـ singleton في مُهيئ ثابت. ينفذ JVM مُهيئًا ثابتًا عند تحميل الفئة، وبالتالي من المُؤكَّد أن هذا آمن للخيوط. استخدم هذه الطريقة فقط عندما تكون فئة singleton خفيفة ويتم استخدامها طوال تنفيذ برنامجك.

الطريقة الرابعة: استخدام "القفل المزدوج" لتنفيذ نمط Singleton

إذا لاحظت بعناية أنه بمجرد إنشاء كائن، لن تكون المزامنة مفيدة بعد الآن لأن الكائن لن يكون فارغًا الآن وسيؤدي أي تسلسل من العمليات إلى نتائج متسقة. لذا، لن نحصل على القفل على getInstance() إلا مرة واحدة عندما يكون الكائن فارغًا. بهذه الطريقة، نقوم فقط بمزامنة الطريقة الأولى، وهو ما نريده تمامًا.

الطريقة الخامسة: إنشاء مثيلات من خلال الفئة الداخلية (استخدام مفهوم تحميل الفئة)

هذه إحدى طرق تنفيذ نمط تصميم Singleton في Java، وهي خاصَّة بلغة Java. إليك بعض المفاهيم التي يجب فهمها قبل تنفيذ نمط تصميم Singleton باستخدام هذه الطريقة في Java:

يتم تحميل الفئات مرة واحدة فقط في الذاكرة بواسطة JDK.
يتم تحميل الفئات الداخلية في Java في الذاكرة بواسطة JDK عندما تدخل في نطاق الاستخدام. وهذا يعني أنه إذا لم نقم بأي إجراء باستخدام الفئة الداخلية في قاعدة التعليمات البرمجية الخاصة بنا، فلن تقوم JDK بتحميل هذه الفئة الداخلية في الذاكرة. يتم تحميلها فقط عندما يتم استخدامها في مكان ما.

في الكود أعلاه، لدينا فئة داخلية ثابتة خاصة SingletonInner وحقل خاص. من خلال طريقة getInstance() لفئة singleton، سنتمكن من الوصول إلى حقل الفئة الداخلية، ونظرًا لكونها فئة داخلية، فسيتم تحميلها مرة واحدة فقط في وقت الوصول إلى حقل INSTANCE لأول مرة. وINSTANCE هو عضو ثابت وبالتالي سيتم تهيئته مرة واحدة فقط.

مزايا نمط التصميم بطريقة Singleton

حل تضارب الأسماء: في السيناريوهات التي تتطلب نقطة تحكم واحدة لتجنب تضارب الأسماء أو التضاربات، يضمن نمط Singleton وجود مثيل واحد فقط باسم فريد.
التهيئة المُبكرة أو الكسولة: يدعم نمط Singleton كلًا من التهيئة الكسولة (إنشاء المثيل عند تحميل الفصل) والتهيئة الكسولة (إنشاء المثيل عند طلبه لأول مرة)، مما يوفر المرونة بناءً على حالة الاستخدام.
سلامة الخيوط: يمكن لأنماط Singleton المطبقة بشكل صحيح أن توفر سلامة الخيوط، مما يضمن إنشاء المثيل ذريًا وأن الخيوط المتعددة لا تنشئ عن غير قصد مثيلات مكررة.
تقليل مساحة الذاكرة: في التطبيقات حيث يكون استهلاك الموارد أمرًا بالغ الأهمية، يمكن لنمط Singleton أن يساهم في تقليل مساحة الذاكرة من خلال ضمان وجود مثيل واحد فقط للفصل.
الوصول المتحكم فيه إلى مثيل واحد: يضمن أن يكون للفئة مثيل واحد فقط ويوفر نقطة وصول عالمية إليه. يمكن أن يكون هذا مفيدًا لإدارة الموارد المشتركة، مثل إعدادات التكوين أو اتصالات قاعدة البيانات.
نقطة الوصول العالمية: يمكن الوصول إلى مثيل Singleton من أي مكان في التطبيق، مما يجعل من السهل مشاركة البيانات أو تنسيق الإجراءات دون تمرير المثيل.
إنشاء مثيل مُتحكَّم فيه: من خلال التحكم في كيفية ووقت إنشاء المثيل، يمكن أن يساعد نمط Singleton في إدارة دورة حياة الموارد، وضمان تهيئتها وتنظيفها بشكل صحيح.
المرونة في التصنيف الفرعي: يمكن توسيع نمط Singleton باستخدام الفئات الفرعية، مما يوفر المرونة لاستخدام تعدد الأشكال وسلوك التجاوز، إذا لزم الأمر.
تجنب الكائنات المكررة: إن ضمان وجود مثيل واحد يمكن أن يساعد في تجنب المشكلات المتعلقة بالكائنات المكررة، مثل التناقضات أو الصراعات في حالة النظام.
سلامة الخيوط: يمكن لأنماط Singleton المطبقة بشكل صحيح ضمان سلامة الخيوط عند الوصول إلى الموارد المشتركة، ومنع مشكلات الوصول المتزامنة.
التحكم في التسلسل وإلغاء التسلسل: في بعض التطبيقات، وخاصة باستخدام أساليب التعداد أو التسلسل، يمكن لنمط Singleton التحكم في عمليات التسلسل وإلغاء التسلسل، مما يضمن صيانة نفس المثيل حتى بعد إلغاء التسلسل.
سهولة الصيانة: باستخدام نقطة تحكم واحدة، يمكن تبسيط الصيانة والتحديثات. تنعكس التغييرات التي تطرأ على فئة Singleton في جميع أنحاء التطبيق، دون الحاجة إلى تعديل مثيلات متعددة.

عيوب مزايا نمط التصميم بطريقة Singleton

الحالة العالمية والتبعيات المخفية: تقدم العناصر الفرديَّة حالة عالمية في التطبيق، مما قد يؤدي إلى تبعيات مخفية بين أجزاء مختلفة من الكود. وهذا يجعل النظام أكثر تعقيدًا وصعوبة في الفهم والصيانة وتصحيح الأخطاء.
صعوبة في الاختبار: يمكن أن تجعل العناصر الفردية اختبار الوحدة أمرًا صعبًا لأنها تخلق بطبيعتها ارتباطًا وثيقًا بين الفصل وعملائه. يمكن أن يكون محاكاة العناصر الفردية أو استبدالها لأغراض الاختبار أمرًا صعبًا، خاصةً إذا كانت تدير موارد مهمة.
مرونة محدودة: بمجرد إنشاء مثيل للعنصر الفردي، ليس من السهل تغيير تنفيذه أو استبداله بآخر، حيث يُمكن أن يكون هذا قيدًا عند محاولة تعديل النظام أو توسيعه.
مشكلات التزامن: يمكن أن يكون تنفيذ العناصر الفردية الآمنة للخيوط أمرًا صعبًا. إذا لم يتم تنفيذها بشكل صحيح، كما يُمكن أن تؤدي العناصر الفردية إلى مشكلات التزامن، مثل ظروف السباق أو الجمود.
إمكانية حدوث نزاع على الموارد: إذا كان Singleton يدير موردًا مشتركًا، قد يؤدي إلى النزاع وانخفاض الأداء، وخاصة في بيئة متعددة الخيوط.
صعوبة في التصنيف الفرعي: نظرًا لأن Singletons غالبًا ما تستخدم منشئًا خاصًا وطرقًا ثابتة، فقد يكون تصنيفها الفرعي أمرًا صعبًا. يمكن أن يحد هذا من القدرة على استخدام تعدد الأشكال أو توسيع الفئة بسلوك جديد.
إدارة دورة الحياة المخفية: تتم إدارة دورة حياة مثيل Singleton بواسطة الفئة نفسها، مما قد يؤدي إلى مشكلات في التهيئة والتنظيف. على سبيل المثال، في البيئات ذات إدارة دورة الحياة المعقدة (مثل خوادم التطبيقات)، يمكن أن تخلق Singletons تعقيدات.
المشكلات المتعلقة بالتسلسل: عند تسلسل فئة Singleton ثم إلغاء تسلسلها، يمكن إنشاء مثيل جديد للفئة ما لم يتم توخي عناية خاصة. وقد يؤدي هذا إلى إتلاف خاصية Singleton إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح.
الصعوبة في التوسع: لا يتم تصميم الفئات Singleton بشكل طبيعي لدعم قابليَّة التوسُّع عبر مثيلات متعددة لتطبيق (على سبيل المثال، في نظام موزع). قد يكون إدارة مثيل واحد عبر عقد متعددة أمرًا صعبًا وقد يتطلب آليات إضافية.

مقالات مميزة في مجال صناعة المحتوى اقرأ المزيد من المقالات المميزة في مجال صناعة وتسويق وتصميم المحتوى الرقمي. تصفح المقالات الآن

في الختام، يُعد نمط تصميم Singleton أداة قوية ومتعددة الاستخدامات في ترسانة تطوير البرامج. فهو يوفر نهجًا منظمًا لضمان وجود مثيل واحد فقط للفئة ويوفر نقطة وصول عالمية، مما يجعله لا يقدر بثمن لإدارة الموارد المشتركة وتنسيق الإجراءات عبر التطبيق. من خلال هذا الدليل، استكشفنا استراتيجيات تنفيذ مختلفة، مع تسليط الضوء على المزايا والعيوب المُحتملة المرتبطة بكل طريقة.

وفي حين يُوفِّر نمط Singleton البساطة والتحكم، فمن المهم تطبيقه بحكمة، حيث يُمكن أن يؤدي الإفراط في الاستخدام أو التنفيذ غير السليم إلى تبعيات خفية وصعوبة في الاختبار وتحديات في صيانة قاعدة التعليمات البرمجية. وكما هو الحال مع أي نمط تصميم، يكمن مفتاح التطبيق الناجح في فهم متى وكيف يتم استخدامه. وأخيرًا، لا تنسَ الاشتراك في موقعنا ليصلك كل ما هو جديد من مقالاتنا أولًا بأوّل.

المصادر: geeksforgeeks، upgrad، simplilearn