نمط Singleton

جزء من قسم Object Oriented Programming في رحلة Java على Coddy — الدرس 65 من 87.

يُعد نمط Singleton نمط تصميم إنشائي يضمن أن الفئة (class) لديها مثيل واحد فقط طوال فترة تشغيل تطبيقك، مع توفير نقطة وصول عالمية لهذا المثيل. وهذا مفيد للموارد التي يجب مشاركتها، مثل مديري التكوين (configuration managers)، أو أحواض الاتصال (connection pools)، أو خدمات تسجيل الأحداث (logging services).

يعمل هذا النمط من خلال جعل الـ constructor خاصاً (private)، مما يمنع الـ instantiation المباشر. وبدلاً من ذلك، تتحكم static method في الوصول إلى النسخة الوحيدة:

public class DatabaseConnection {
    private static DatabaseConnection instance;
    
    // المنشئ الخاص يمنع الإنشاء المباشر للكائنات
    private DatabaseConnection() {
        System.out.println("Connection created");
    }
    
    // نقطة وصول عامة
    public static DatabaseConnection getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new DatabaseConnection();
        }
        return instance;
    }
    
    public void query(String sql) {
        System.out.println("Executing: " + sql);
    }
}

كل استدعاء لـ getInstance() يعيد نفس الكائن. يتم إنشاء المثيل فقط عند طلبه لأول مرة—وهذا ما يسمى التهيئة الكسولة:

DatabaseConnection db1 = DatabaseConnection.getInstance();
DatabaseConnection db2 = DatabaseConnection.getInstance();

System.out.println(db1 == db2);  // true - نفس المثيل

المكونات الأساسية لنمط Singleton هي: حقل private static يحمل المثيل (instance)، ومنشئ (constructor) private، ودالة (method) public static تعيد المثيل. تضمن هذه التوليفة أنه بغض النظر عن عدد المرات التي تطلب فيها الكائن، ستحصل دائمًا على الكائن نفسه.

التحدي

سهل

لنقم ببناء مدير تكوين (configuration manager) لتطبيق باستخدام نمط التصميم Singleton! سيضمن مدير التكوين الخاص بك أن جميع أجزاء تطبيقك تشترك في نفس الإعدادات، بغض النظر عن عدد المرات التي تطلب فيها الوصول إليها.

ستقوم بتنظيم الكود الخاص بك عبر ملفين:

AppConfig.java: أنشئ فئة Singleton تدير إعدادات تكوين التطبيق. يجب أن يحتوي AppConfig الخاص بك على:
حقل ثابت خاص (private static field) للاحتفاظ بالمثيل الوحيد.

حقل String خاص يسمى appName وحقل int خاص يسمى maxUsers.

منشئ (constructor) خاص يقوم بتهيئة appName إلى "MyApplication" و maxUsers إلى 100، ثم يطبع AppConfig initialized.

طريقة getInstance() عامة وثابتة (public static) تقوم بإنشاء المثيل فقط إذا لم يكن موجوداً بعد (التهيئة الكسولة - lazy initialization)، ثم تعيده.

طريقة setAppName(String name) تقوم بتحديث اسم التطبيق.

طريقة setMaxUsers(int max) تقوم بتحديث الحد الأقصى للمستخدمين.

طريقة displaySettings() تطبع App: [appName], Max Users: [maxUsers].
Main.java: أثبت أن Singleton الخاص بك يعمل بشكل صحيح! ستتلقى مدخلين: اسم تطبيق جديد (String) وقيمة جديدة للحد الأقصى للمستخدمين (integer).
أولاً، احصل على مثيل من AppConfig وقم بتخزينه في متغير يسمى config1. استدعِ displaySettings() لإظهار القيم الافتراضية.

ثم قم بتحديث الإعدادات باستخدام قيم المدخلات الخاصة بك عن طريق استدعاء setAppName و setMaxUsers على config1.

احصل على مثيل آخر وقم بتخزينه في config2. استدعِ displaySettings() على config2 لإثبات أنه يعكس التغييرات التي تم إجراؤها من خلال config1.

أخيراً، اطبع ما إذا كان كلا المرجعين يشيران إلى نفس الكائن: Same instance: [true/false] عن طريق مقارنة config1 == config2.

ستتلقى مدخلين بالترتيب: اسم التطبيق الجديد (String) والحد الأقصى الجديد للمستخدمين (integer).

يوضح هذا التحدي الفائدة الأساسية لنمط Singleton: بغض النظر عن عدد المرات التي تطلب فيها التكوين، فإنك تحصل دائماً على نفس المثيل مع نفس الحالة المشتركة!

ورقة مرجعية

يضمن نمط التصميم المنفرد (Singleton Pattern) أن يكون للفئة (class) مثيل واحد فقط طوال فترة تشغيل التطبيق، مما يوفر نقطة وصول عالمية لهذا المثيل.

المكونات الرئيسية:

حقل private static يحمل المثيل الوحيد
منشئ (constructor) private لمنع إنشاء مثيلات مباشرة
طريقة (method) public static تعيد المثيل

التنفيذ الأساسي:

public class DatabaseConnection {
    private static DatabaseConnection instance;
    
    // المنشئ الخاص يمنع إنشاء مثيلات مباشرة
    private DatabaseConnection() {
        System.out.println("Connection created");
    }
    
    // نقطة وصول عالمية
    public static DatabaseConnection getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new DatabaseConnection();
        }
        return instance;
    }
    
    public void query(String sql) {
        System.out.println("Executing: " + sql);
    }
}

الاستخدام:

DatabaseConnection db1 = DatabaseConnection.getInstance();
DatabaseConnection db2 = DatabaseConnection.getInstance();

System.out.println(db1 == db2);  // true - نفس المثيل

يتم إنشاء المثيل فقط عند طلبه لأول مرة—وهذا ما يسمى التهيئة الكسولة (lazy initialization). كل استدعاء لـ getInstance() يعيد نفس الكائن، مما يضمن حالة مشتركة عبر التطبيق.

جرّب بنفسك

import java.util.Scanner;

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        
        // قراءة المدخلات
        String newAppName = scanner.nextLine();
        int newMaxUsers = scanner.nextInt();
        
        // TODO: احصل على المثيل الأول من AppConfig وقم بتخزينه في config1
        
        // TODO: استدعِ displaySettings() على config1 لعرض القيم الافتراضية
        
        // TODO: قم بتحديث الإعدادات باستخدام setAppName و setMaxUsers على config1
        
        // TODO: احصل على مثيل آخر وقم بتخزينه في config2
        
        // TODO: استدعِ displaySettings() على config2 لإثبات أن التغييرات مشتركة
        
        // TODO: اطبع ما إذا كان كلا المرجعين يشيران إلى نفس الكائن:
        // "Same instance: [true/false]" باستخدام config1 == config2
    }
}