Global State 是什麼？Singleton 為何讓人抓狂？

Yushan

6 min readMar 10, 2018

什麼是 Global State？

一種偷偷影響程式碼執行的方式。

當執行相同的程式時，一般情況下會預期跑出同樣的結果；但如果使用了 Global State，每次執行時就無法預期結果。

Global State 不好嗎？

大部份情況下，盡量不要使用。因為 Global State 令人難以理解程式為什麼這麼運作，也很難 debug 和測試，因為你不知道它到底在背後做了什麼。

可以來個例子嗎？

拿 Design Pattern 中的 Singleton 為例，Singleton 本身就是個 Global State，用到此 singleton instance 的物件彼此會造成影響。

class AppSettings {
  private static AppSettings instance = new AppSettings();
  private Object state1;
  private Object state2;
  private Object state3;
  private AppSettings() {...}  public static AppSettings getInstance() {
    return instance;
  }
}class App {
  int method() {
    return AppSettings.getInstance().changeState1();
  }
}void testApp() {??}

這樣寫有什麼問題？

高耦合：假設 A 和 B 兩個不相關的物叫都會使用到 AppSettings，結果 A 不小心把 AppSettings 寫壞了，B 也跟著中槍。這種改 A 炸 B 的 bug 是很難被找出來的，只能回想我之前是不是做了什麼事來推測 B 為什麼會壞掉。
無法測試：因為 AppSettings.getInstance() 是 Singleton，它可能在前一次測試時被改變了 state1~3，但 testApp() 無從知道，所以每次拿到的參數都不同，導致測試的結果也都不同。
無邊界：Singleton 就是個全域變數，它架起了類與類之間的橋樑，模糊了關界。

如何修正？

class App {
  AppSettings settings;
  App(AppSettings settings) {
    this.settings = settings;
  }  int method() {
    return settings.changeState1();
  }
}void testApp() {
  new App(new AppSettings(...)).method();
}

這輩子真的無法再使用 Singleton 了嗎？QQ

Singleton 還是有好用的地方的，但僅限於 immutable 不會影響到其它的物件的情況，像是：

System.currenTime()
new Date()
Math.random()
記錄 log

除了 Singleton，還有別的例子嗎？

有的，設計 API 時也有可能因為 Global State 造成使用上的各種困擾。我們稱這種 API 為 Deceptive API。

假設我們有一個信用卡扣款的程式，當工程師要來寫 unit test 時，他呼叫了以下的程式

testCharge() {
  CreditCard cc;
  cc = new CreditCard("123482328523423");  //創建一張信用卡
  cc.carge(100);  //扣 100 元
}

看起來非常簡單，但 compiler 後才發現不能跑，因為它缺少了各種資料！

testCharge() {
  Database.connect(...);
  OfflineQueue.start();
  CreditCardProcessor.init(...);  CreditCard cc;
  cc = new CreditCard("123482328523423");  //創建一張信用卡
  cc.carge(100);  //扣 100 元
}

首先需要 DB 連線，然後建立離線的 queue，然後開始跑信用卡的 processor……我怎麼知道我需要這些東西才能扣款！？

這就是 API 設計不良的範例，它假裝不需要任何東西，但實際上是需要的！只是透過 Global State 來傳送參數。

那要怎麼改工程師才不會抓狂？

testCharge() {
  db = new Database(...);
  queue = new OfflineQueue(db);
  ccProc = new CreditCardProcessor(queue);  CreditCard cc;
  cc = new CreditCard("123482328523423", ccProc);  //創建一張信用卡
  cc.carge(100);  //扣 100 元
}

不再使用 Global State，而改用注入的方式(Dependency Injection)，把需要的東西從外面帶入，降低耦合。

這樣做有什麼好處呢？

清楚地知道呼叫 function 前我需要什麼、清楚地知道我要依序做什麼動作才不會出錯，而不是當 compiler 時才出現各種錯誤。
每一行都可以獨立 unit test，例如我可以只要 mock 一個 CreditCardProcessor 就能測試信用卡扣款是否正常。或是我需要真的 CreditCardProcessor、真的 queue、但是要用假的 database，在 DI 的情況下任君挑選如何做測試。

總結

Global State 是所有測試問題的根源。
Global State 無法完全由 test 控制，有可能另一個人寫了新的 test 影響到了 Global State，造成原本的測試失敗。
Singleton 使用需小心，不能因為我這裡需要個只能創建一次的物件，就很快樂地使用 Singleton，還是有其它的方式可以達到相同的目的。

避免 Global State 的產生除了讓程式有辦法寫測試外，還可以大幅降低需要通靈 debug 的機會……

參考資料

https://www.ptt.cc/bbs/GameDesign/M.1505060613.A.66F.html
https://www.youtube.com/watch?v=-FRm3VPhseI
https://www.jianshu.com/p/b3f5f3392c0f