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PHP 設計模式：單例模式完整實作與現代替代方案

編輯：PHP 綜合知識

單例模式：確保類別只有一個實例，提供全域存取點

單例模式是最知名也最具爭議的設計模式。本文詳細實作 PHP 4/5/7/8 版本差異、執行緒安全、序列化防護、測試困境與現代替代方案 (DI 容器、靜態類別、服務定位器)。

PHP 5+ 標準實作

<?php
class DatabaseConnection {
    private static ?self $instance = null;
    private PDO $pdo;
    
    // 私有建構子：防止外部 new
    private function __construct() {
        $this->pdo = new PDO('mysql:host=localhost;dbname=app', 'user', 'pass', [
            PDO::ATTR_ERRMODE => PDO::ERRMODE_EXCEPTION,
        ]);
    }
    
    // 防止複製
    private function __clone() {}
    
    // 防止反序列化建立新實例
    public function __wakeup() {
        throw new Exception("Cannot unserialize singleton");
    }
    
    // 靜態存取點
    public static function getInstance(): self {
        return self::$instance ??= new self();
    }
    
    // 代理 PDO 方法
    public function query(string $sql): PDOStatement {
        return $this->pdo->query($sql);
    }
    
    public function prepare(string $sql): PDOStatement {
        return $this->pdo->prepare($sql);
    }
    
    // ... 其他需要的方法
}

// 使用
$db = DatabaseConnection::getInstance();
$stmt = $db->query("SELECT * FROM users");
?>

PHP 4 相容寫法 (歷史參考)

<?php
class DatabaseConnection {
    function DatabaseConnection($fromGetInstance = false) {
        if (M_E != $fromGetInstance) { // 簡單保護
            trigger_error("Singleton: use getInstance()");
        }
    }
    
    function &getInstance() {
        static $instance = null;
        if (!$instance) {
            $instance = new DatabaseConnection(M_E); // 傳遞常數驗證
        }
        return $instance;
    }
}
?>

單例模式核心測試

<?php
class SingletonTest extends PHPUnit\Framework\TestCase {
    public function testSameInstanceReturned() {
        $instance1 = DatabaseConnection::getInstance();
        $instance2 = DatabaseConnection::getInstance();
        $this->assertSame($instance1, $instance2); // 同一物件引用
    }
    
    public function testConstructorIsPrivate() {
        $this->expectException(Error::class);
        new DatabaseConnection(); // 應拋出錯誤
    }
    
    public function testCannotClone() {
        $instance = DatabaseConnection::getInstance();
        $this->expectException(Error::class);
        clone $instance;
    }
    
    public function testCannotUnserialize() {
        $instance = DatabaseConnection::getInstance();
        $serialized = serialize($instance);
        $this->expectException(Exception::class);
        unserialize($serialized);
    }
}
?>

單例模式的爭議與缺點

問題	說明	影響
全域狀態	任何地方可存取修改	難以追蹤 bug、測試污染
隱性依賴	函數簽名不顯示需單例	API 不誠實、耦合度高
測試困難	單例狀態跨測試殘留	需重置、Mock 困難
違反單一職責	類別同時負責業務邏輯與生命週期管理	擴展性差
多執行緒不安全	PHP-FPM 多進程各自有實例，但 Swoole/RoadRunner 共享記憶體需鎖	併發環境需額外同步

現代替代方案比較

方案	優點	缺點	適用場景
依賴注入容器	生命週期管理、自動裝配、測試友善、解耦	學習曲線、啟動開銷	中大型專案、現代框架
服務定位器	簡單、漸進式遷移	隱性依賴、反模式風險	舊專案重構過渡期
靜態類別 (無狀態)	簡單、效能好、無實例管理	無法儲存狀態、難以 Mock	工具函數、純函數
單例 (謹慎使用)	簡單、確保唯一實例	上述所有缺點	資源昂貴且真正需唯一 (DB連線、日誌、配置)

DI 容器替代單例：PHP-DI 範例

<?php
// composer require php-di/php-di
use DI\ContainerBuilder;

$container = (new ContainerBuilder())
    ->addDefinitions([
        PDO::class => \DI\factory(function() {
            return new PDO('mysql:host=localhost;dbname=app', 'user', 'pass');
        })->singleton(), // 關鍵：單例範圍
        
        UserRepository::class => \DI\autowire()->constructorParameter('pdo', \DI\get(PDO::class)),
        UserService::class => \DI\autowire(),
    ])
    ->build();

// 使用：容器管理生命週期
$userService = $container->get(UserService::class);
// 同一請求/應用中獲取相同 PDO 實例

// 測試時輕鬆覆寫
$testContainer = (new ContainerBuilder())
    ->addDefinitions([
        PDO::class => $mockPdo,
    ])
    ->build();
?>