算法、数据结构、与设计模式等在游戏开发中的运用（一）：单例设计（Singleton Design)

2023-08-15 12:41:52

算法、数据结构、与设计模式等在游戏开发中的运用（一）：单例设计（Singleton Design)

作者: Compasslg 李涵威

1. 什么是单例设计（Singleton Design）

在学校学习面向对象编程中的一些常用的设计模式时，我第一次系统的接触到了单例设计（Singleton Design），或者说单例设计模式。所谓设计模式（Design Pattern），指的是在软件开发中针对一些常见问题提出的可复用的解决方式；而单例设计便是针对在面向对象编程中一些只会被实例化一次、或只允许一个实例（instance）存在的类（class）而出现的设计模式。这种对象/实例通常是作为工程中一个全局管理的存在，因此他们会在整个工程的各个角落被调用。由于在面向对象编程的设计中你往往需要通过储存一个对象的地址来随时调用其中的方法和数据，这便可能会造成同一个对象的地址被储存很多次的情况。

在单例设计模式中，你可以通过将单例目标类的构造器（Constructor）设置为private类型使该类无法在外部被实例化，然后在这个类的内部实例一个自己的对象并将其储存在一个静态变量中。同时，你也可以写一个公开的静态getter方法来作为获取和调用这个单例的方式。如此这般，通过使用单例设计模式，你便可以实现一个全局有且只有一个实例的类。具体实现方式我会在下一个部分举例说明。

2. 如何使用单例设计（Java 范例）

Java是单例设计最常被应用的语言。一个最典型的例子便是java.lang.Runtime中的Runtime class. 该类无法被实例，你可以通过其中的静态方法Runtime.getRuntime()来调用他的单例 object。

除此之外，在软件和游戏开发中还有很多的功能可以利用单例设计实现，以下便是一个用Java通过单例设计实现的可能被应用在游戏和软件中的音频管理器（AudioManager）的简单模型：

/**===========================================

	这是一个在游戏中管理音频文件的类，有且只有存在一个。

	因此使用单例设计模式。

  *===========================================*/

  class AudioManager {

      // 设置为private，外部便不能再修改这个单例。

      private static instance;

      // 单例中实际储存的内容。这里使用的数据类型只是作为该单例的应用背景（context），仅供参考，在AudioManager中具体要用什么数据类型来储存音频资料应视情况而定

      private HashMap<String, AudioClip> clips;

      // ... 此处略过其他AudioManager可能需要的变量 ...

      // private 构造器，无法被外部调用

      private AudioManager(){

          clips = new HashMap<String, AudioClip>();

          // ... 此处略过其他可能需要初始化的东西

      }

      // 单例的 Getter。会且只会实例一个该类的实例。

      // 如果担心第一次调用时的速度影响，可以在loading的时候统一将单例设计的类的getInstance方法调用一次

      public static AudioManager getInstance(){

          // 实例化如果此前没有实例

          if (instance == null){

              instance = new AudioManager();

          }

          return instance;

      }

      // 播放一段音频的方法

      public void playAudioClip(String clipName){

          clips.get(clipName).play();

      }

  }

以下是调用方法：

public static void main(String[] args){

	AudioManager.getInstance().playAudioClip("BGM");

}

3. 游戏开发中的运用（Unity）

在游戏开发过程中，我们常常会需要应用到一些负责全局管理的并且只会同时存在一个实例的类，例如上面提到的AudioManager，还有负责管理游戏状态或界面的StateManager和SceneManager，我自己写游戏也经常会写一个负责数据管理的类DataManager。这些类都是有且只有一个实例存在，都可以通过 Part 2 中的方法依样画葫芦实现和调用，这里就不复述了。

在使用Unity开发游戏时，我们往往会要用到一个GameController。在我接触单例设计之前，我都会选择在要用到他的地方存一个变量，然后通过在编辑器中把它拖到inspector，或者使用

gameController = GameObject.FindWithTag("GameController");

来找到它。久而久之，这样不但使代码变得混乱且重复，在速度上和内存空间上也给我一种很浪费的感觉。这个时候，我们可以利用Singleton Design思想，在GameController中加一个静态变量

public class GameController : MonoBehaviour {

	private static GameController instance;

	void Awake(){

		// ... 省略其他初始化相关代码 ...

		instance = this;

	}

	public static GameController GetInstance(){

		return instance;

	}

}

这样，虽然这个类是绑定Unity中的GameObject被实例的而并非按照此前提到的通过private constructor的方法生成的单例，我们依然可以利用单例设计中的部分思想来使他调用起来更方便。此后，当我们需要调用GameController中的方法时，只需要调用他的单例即可

GameController.GetInstance().MethodName();

4. 总结

在我学习OOP中常用的设计模式的过程中，我的教授表达了并不推荐学生使用单例设计的看法。他认为单例设计 “破例的使用了全局变量，破坏了模块化设计的思想 ”。但此后，我在学习过程中多次看到其他教授使用单例设计，Github上也有一些不小的项目用到过单例设计；同时，我自己在游戏开发过程中也常常感受到这种设计模式带来的便利。所以，我觉得只要合理运用，单例设计也不失为一种好的设计模式。如有不同意见或者高手有什么指教，欢迎评论。

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