Unity 3D中單例模式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄧 偉

（喀什大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 喀什 844000）

0 引言

在系統(tǒng)應(yīng)用中，某些對(duì)象要求具有唯一性.例如在Windows 中就只能打開一個(gè)任務(wù)管理器窗口，如果不采用某種機(jī)制對(duì)窗口對(duì)象進(jìn)行唯一化，那么將可能打開多個(gè)窗口，若窗口顯示內(nèi)容一致，則是對(duì)象重復(fù)，浪費(fèi)內(nèi)存資源；若窗口顯示內(nèi)容不一致，則意味著在某一瞬間系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)，不知道哪一個(gè)才是真實(shí)的狀態(tài).這樣既不符合實(shí)際，也會(huì)給用戶帶來(lái)混亂.因此，確保系統(tǒng)中某個(gè)對(duì)象的唯一性即一個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例就非常重要[1].這時(shí)常采取單例模式來(lái)保證對(duì)象的唯一性.Unity 3D 是一款專業(yè)的3D 游戲引擎，廣泛用于開發(fā)各種高質(zhì)量2D/3D 游戲和VR/AR 應(yīng)用.游戲開發(fā)中也會(huì)遇到類似的要求，比如游戲設(shè)計(jì)中，可能需要設(shè)計(jì)一個(gè)管理玩家信息的類腳本，要求在整個(gè)游戲中確保該類只有一個(gè)實(shí)例，且便于隨時(shí)訪問(wèn)；也可能需要設(shè)計(jì)一個(gè)管理場(chǎng)景切換的類腳本，要求保存之前場(chǎng)景的狀態(tài)或者獲取之前場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，并能在整個(gè)游戲范圍內(nèi)訪問(wèn)這個(gè)數(shù)據(jù).這時(shí)采用單例模式設(shè)計(jì)類腳本就是一個(gè)比較好的選擇方案，可確保一個(gè)類在系統(tǒng)中只有一個(gè)實(shí)例，并負(fù)責(zé)自行實(shí)例化和向整個(gè)系統(tǒng)提供對(duì)該實(shí)例的訪問(wèn)[2].單例模式在Unity 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲設(shè)計(jì)開發(fā)中，一般常用于管理器類的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換中對(duì)象的唯一性及持久化，是一種重要的設(shè)計(jì)模式.

1 單例模式設(shè)計(jì)原理

單例模式(Singleton Pattern) 是一種創(chuàng)建型模式，要求在設(shè)計(jì)一個(gè)類時(shí)保證整個(gè)程序在運(yùn)行期間只存在一個(gè)實(shí)例對(duì)象且易于被訪問(wèn)，是對(duì)實(shí)例的生成過(guò)程進(jìn)行管理的一種模式.它提供了全局唯一的訪問(wèn)入口,易于控制可能發(fā)生的沖突,可以嚴(yán)格地控制客戶怎樣訪問(wèn)它以及何時(shí)訪問(wèn)它[3].特殊場(chǎng)合下，如何保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例對(duì)象且這個(gè)實(shí)例對(duì)象易于被訪問(wèn)，是一個(gè)必須要的考慮因素.定義一個(gè)全局性的變量雖可實(shí)現(xiàn)實(shí)例對(duì)象隨時(shí)被訪問(wèn)，卻也可能實(shí)例化出多個(gè)對(duì)象，不能保證實(shí)例的唯一性.最簡(jiǎn)明可靠的方法是，在類的設(shè)計(jì)中，讓類自身保存它的唯一實(shí)例，保證沒有其他實(shí)例被創(chuàng)建，且可提供一個(gè)訪問(wèn)該實(shí)例的方法.單例模式中的這個(gè)類稱為單例類，其有三個(gè)特點(diǎn)：?jiǎn)卫愔荒苡幸粋€(gè)實(shí)例；單例類必須自行創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例；單例類必須自行向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例.可以說(shuō)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中，只允許某個(gè)類的一個(gè)實(shí)例存在，那么就應(yīng)采用單例模式[4].設(shè)置類為單例，需要考慮三個(gè)問(wèn)題：一是不讓類的實(shí)例被隨意構(gòu)造出來(lái)；二是如果不能隨意構(gòu)造類的實(shí)例，那么要使用這個(gè)類該如何解決；三是保證只能構(gòu)造一個(gè)唯一實(shí)例.普通類的實(shí)例是用new 關(guān)鍵字來(lái)創(chuàng)建的，調(diào)用的是類的默認(rèn)公有無(wú)參構(gòu)造器.所以，如果不讓類的實(shí)例被隨意構(gòu)造出來(lái)，可以將構(gòu)造器私有化，這樣就不能隨意使用構(gòu)造器來(lái)創(chuàng)建類的實(shí)例.針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，可以在類中調(diào)用自身私有構(gòu)造方法，然后對(duì)外提供一個(gè)公有的靜態(tài)方法來(lái)獲取即可.解決第三個(gè)問(wèn)題，可以聲明一個(gè)私有的靜態(tài)的類的變量，在公有的靜態(tài)方法中，根據(jù)判斷這個(gè)變量的引用是否為null 來(lái)決定是否調(diào)用自身私有構(gòu)造方法創(chuàng)建類的實(shí)例，從而保證實(shí)例的唯一性.

2 Unity 3D 中的兩類單例模式

在Unity 3D 中，MonoBehaviour 類是十分重要的類，它定義了基本的腳本行為，提供了許多屬性和方法，不同的方法在特定的情況下會(huì)被調(diào)用，實(shí)現(xiàn)特定的功能.[5]根據(jù)設(shè)計(jì)的類是否繼承自MonoBehaviour 類，可以分為兩類單例模式，一種是非繼承MonoBehaviour 類普通單例模式，另一種是繼承MonoBehaviour 類的單例模式.

2.1 非繼承MonoBehaviour 類的普通單例模式

設(shè)計(jì)了SingletonClass 類樣例，類圖如圖1所示.

圖1 SingletonClass 類圖

設(shè)計(jì)如下：

代碼中，聲明一個(gè)靜態(tài)SingletonClass 類的變量instance 來(lái)引用唯一的對(duì)象，私有的無(wú)參構(gòu)造方法SingletonClass()讓外部類無(wú)法調(diào)用，只能在單例類的內(nèi)部被調(diào)用，靜態(tài)方法GetSingletonInstance () 內(nèi)通過(guò)判斷instance 是否為null，保證創(chuàng)建此類的唯一對(duì)象.上述代碼可以說(shuō)是一個(gè)純C# 普通單例，在Unity 3D 中，如果自定義一個(gè)類，只是想調(diào)用其中的方法和屬性，不掛載到場(chǎng)景的物體中使用，就可以不繼承MonoBehaviour 類，可以使用以上方式來(lái)構(gòu)建單例，此類方式在Unity 3D 開發(fā)中一般比較少見.

2.2 繼承MonoBehaviour 類的單例模式

在Unity 3D 中，任何要掛載到游戲?qū)ο笊系哪_本都需要繼承MonoBehaviour 類，因此在Unity 3D 開發(fā)中此類單例模式比較常見.和普通單例不同的是，所有繼承MonoBehaviour 的類不可以實(shí)例化，Unity 3D 都會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建實(shí)例，繼承自MonoBeHaviour 的腳本在掛上GameObject的時(shí)候相當(dāng)于已經(jīng)實(shí)例化一次.

設(shè)計(jì)如下：

上述代碼中，單例類SingletonClass 繼承自MonoBehaviour 類，內(nèi)部有一個(gè)instance 屬性，get設(shè)置外部可以讀取，私有的set 保證只能在SingletonClass 類內(nèi)部賦值，Awake()方法在腳本對(duì)象實(shí)例化時(shí)被調(diào)用.

3 Unity 3D 特定場(chǎng)景中單例模式的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

在使用Unity 3D 開發(fā)游戲的時(shí)候，經(jīng)常需要設(shè)計(jì)類用于管理一些全局的變量和方法，記錄各種需要在整個(gè)游戲過(guò)程中持久化的數(shù)據(jù)，特別是在場(chǎng)景切換時(shí)，要保證對(duì)象的唯一，且可以被訪問(wèn).設(shè)有一個(gè)特定環(huán)境：模仿闖關(guān)游戲中的分值獎(jiǎng)勵(lì).有兩個(gè)游戲場(chǎng)景Scene1 和Scene2，每個(gè)場(chǎng)景中各有一個(gè)按鈕（分別命名為Button1和Button2）和文本UI（命名為Text_Score），點(diǎn)擊一個(gè)場(chǎng)景的按鈕（先啟動(dòng)Scene1 場(chǎng)景），會(huì)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)場(chǎng)景，并且每點(diǎn)擊一次按鈕，跳轉(zhuǎn)到的場(chǎng)景中的文本UI 會(huì)執(zhí)行加1 操作并顯示.

從單例模式角度分析，設(shè)計(jì)一個(gè)Manager類，整個(gè)游戲過(guò)程中必須有且只有一個(gè)Manager類的實(shí)例；在Manager 中記錄一個(gè)名為Score 的int 型屬性變量；場(chǎng)景切換時(shí)，Manager 不被銷毀，并對(duì)Score 值進(jìn)行加1 操作；每個(gè)場(chǎng)景中的文本UI 會(huì)顯示當(dāng)前Score 值.

3.1 定義Manager 單例類

在Unity 3D 中的Scene1 場(chǎng)景下創(chuàng)建一個(gè)空物體對(duì)象，命名為Player.創(chuàng)建C# 腳本，命名為Manager，將Manage 類腳本掛載在Player 對(duì)象上.

上述代碼中，Manager類繼承了MonoBehaviour 類.靜態(tài)Manager 類型的屬性成員Instance 保證它可以通過(guò)類訪問(wèn)，而不是通過(guò)實(shí)例訪問(wèn)，Instance 屬性中，get 保證外部可讀取，同時(shí)私有的set 保證只能在Manager 類內(nèi)部賦值；Score 屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)私有_Score 字段的讀??；Awake()方法在腳本實(shí)例被創(chuàng)建時(shí)調(diào)用，腳本生命周期中只執(zhí)行一次，方法中對(duì)Instance 進(jìn)行賦值初始化.

3.2 定義ChangeScene 類腳本

創(chuàng)建ChangeScene 類腳本，分別掛載到兩個(gè)場(chǎng)景的按鈕上，用于實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換及計(jì)分顯示功能.

代碼中，Start () 方法中實(shí)現(xiàn)單例對(duì)象中的Score 屬性的讀操作，將分值顯示在文本UI 上.Change()是按鈕事件的處理方法，單擊按鈕時(shí)實(shí)現(xiàn)單例對(duì)象中的Score 屬性進(jìn)行分值加1 的寫操作，分值加1，并跳轉(zhuǎn)到另一場(chǎng)景.

3.3 存在的問(wèn)題及解決方法

在Unity 3D 中，切換場(chǎng)景時(shí)默認(rèn)會(huì)銷毀上一個(gè)游戲場(chǎng)景中所有的游戲?qū)ο?，所以?chǎng)景中所創(chuàng)建的Player 對(duì)象會(huì)被銷毀，這時(shí)可以使用DontDestroyOnLoad()方法讓Player 對(duì)象在切換游戲場(chǎng)景時(shí)不會(huì)被銷毀，該方法添加在Manager類的Awake () 方法內(nèi)即可.另外，當(dāng)從場(chǎng)景Scene2 切換回場(chǎng)景Scene1 時(shí)，并不是恢復(fù)場(chǎng)景Scene1，而是重新創(chuàng)建出一個(gè)新場(chǎng)景，導(dǎo)致一個(gè)新的Player 對(duì)象被創(chuàng)建，不能保證Player 對(duì)象的唯一性.所以需要在Awake()方法內(nèi)添加邏輯判斷，檢測(cè)到已經(jīng)存在一個(gè)Player 對(duì)象時(shí)，銷毀當(dāng)前Player 對(duì)象.Awake()方法代碼修改如下：

4 結(jié)語(yǔ)

單例模式是一種常用的設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)類只有一個(gè)實(shí)例對(duì)象，可以避免多次創(chuàng)建對(duì)象帶來(lái)的資源消耗，或是方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和保存.Unity 3D 是單線程操作，通過(guò)協(xié)程機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一些類似于多線程的功能.所以在上述單例模式設(shè)計(jì)中，沒有涉及多線程而去增加“鎖”.此外，如果單例不涉及到Unity 3D 相關(guān)組件操作，就不用繼承MonoBehaviour 類，可以用純C# 的單例語(yǔ)法來(lái)處理.