设计模式之禅【单例模式】

真刀实枪之单例模式

• 我是皇帝我独苗--从皇帝的故事说起
  • “自从秦始皇确立了皇帝这个位置之后，同一时期就只允许一个皇帝坐在这个位置。这种情况下臣民也好处理，大家叩拜，谈论的时候只要提及皇帝，每个人都知道他是谁，而不用加上特定的称呼。”
  • 反应到设计领域就是，要求一个对象对他的依赖都是相同的，因为只有一个对象，大家对他的脾气和习性非常了解，建立健壮稳固的关系。

• 想法

      1. 不想要别人去创建我这个对象
          构造函数private呗，别人看不到；
      2. 既然别人不能创建，那我该如何获取
          静态属性？不，这个设计会我的“皇帝”给弄得面目全非了
              class Emperor{
                  public static Emperor hd=new Emperor();//注意这里为public修饰
                  private Emperor(){
                  }
              }
              Emperor.hd=null;//破坏者一号
  
          静态常量？不，这个太压抑了吧！
              class Emperor{
                  public static final Emperor hd=new Emperor();//这里依然为public修饰
                  private Emperor(){
                  }
              }
              Emperor.hd;//压抑...
  
          方法来解决：用方法来返回一个“皇帝”；只返回一个那用静态方法好了！
              Emperor{
                  private static final Emperor hd=new Emperor();//注意：private修饰
                  private Emperor(){
                  }
                  public Emperor getEmperor(){
                      return hd;
                  }
              }
  
              Emperor.getEmperor();//这下世界清净了
  

• 真正进入单例模式的世界吧

  • 单例模式（SingleTon Pattern）
  • Ensure a class has only one instance,and provide a global point of access to it.(确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例)

  • 类图

  • 代码

    public class Singleton{
        private static final Singleton singleton=new Singleton();
        //限制产生多个对象
        private Singleton(){
        }
        //通过该方法获得实例对象
        public static Singleton getSingleton(){
            return singleton;
        }
        //类中其他的方法
        public static void doSomething(){
        }
    } 
    

  • 优点
    • 1. 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁的创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化
    • 2. 单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决（在java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制）
    • 3. 单例模式可以避免对资源的多重占用：例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作
    • 4. 单例模式可以在系统设置全局访问点，优化和共享资源的访问，例如一个单例类，负责所有数据的映射处理
  • 缺点
    • 1. 单例模式一般没有接口，扩展和困难， 若要扩展，除了修改代码，基本上没有第二种哪途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？是因为接口对单例模式没有任何意义，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例，接口或抽象类是不可能被实例化的。
    • 2. 单例模式对测试是不利的，在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能mock的方式虚拟一个对象
    • 单例模式与单一职责原则有冲突、一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中
  • 单例模式使用的场景
    • 在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象。如果出现多个对象就会出现“不良反应”
    • 要求生成唯一序列号环境
    • 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如web页面上的计数器，可以不把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保线程是安全的
    • 创建一个对象需要消耗的资源过多，如访问IO和数据库等资源
    • 需要定义大量的静态常量和静态方法（工具类），可以单例模式，可以static

  • 注意事项

    • 高并发下注意单例模式的线程同步问题

      //线程不安全
      public class Singleton{
          private static Singleton singleton=null;
          //限制产生多个对象
          private Single(){
      
          }
          //通过该方法获得的实例对象
          public static Single getSingleton(){
              if(singleton==null){
                  singleton=new Singleton();
              }
              return singleton;
          }
      }
      

    • 上述程序中，该单例模式在低并发的情况下上不会出现问题，若随着压力增大，并发量增加时则可能会在内存中产生多个实例，破坏了最初的预期。为什么出现了这种情况？如果一个线程A执行到“Singleton singleton = new Singleton();”但还没有获得对象，因为对象初始化是需要时间的，所有第二个线程B在执行的时候，当执行到“singleton==null”判断条件也为真，于是继续执行下去。线程A获取了一个对象，线程B也获得了一个对象，在内存中就创建了两个对象。

    • 解决方法

      • 在getSingleton方法上添加synchronized
      • 在getSingleton方法中增加synchronized
      • 饿汉式

        class SingleTon{
            //属性私有化
            private static SingleTon singleton=new SingleTon();
            //构造函数私有化
            private SingleTon(){
            }            
            //获取对象
            public static SingleTon getSingleTon(){
                return this.singleton;
            }
        }
        

      • 懒汉式

        class SingleTon{
            //属性私有化
            private static SingleTon singleton=null;
            //构造函数私有化
            private SingleTon(){
            }            
            //获取对象
            public static SingleTon getSingleTon(){
                if(null==singleton){
                    singleton=new SingleTon();
                }
                return singleton;
            }
        }
        

      • 解决懒汉式线程安全

        class SingleTon{
            //属性私有化
            private static SingleTon singleton=null;
            //构造函数私有化
            private SingTon(){
            }            
            //获取对象-DCl:双重锁
            public SingleTon getSingleTon(){
                if(null==singleton){
                        synchronized(SingleTon.class){
                            if(null==singleton){
                                singleton=new SingleTon();
                            }
                        }
                }
                return singleton;
            }
        }
        

    • 另一个问题：对象的复制

      • 在java中，对象的默认是不可以被复制的，若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方法创建一个新对象，对象复制是不用调用类的构造函数，因此即使是私有的构造函数，对象任然可以被复制，在一般情况下，类复制的情况不需要去考虑，很少会出现一个单例类会主动要求被复制的情况，解决该问题的最好方法就是单例类不要实现Cloneable接口。

单例模式的扩展

• 一个类产生多个对象很容易，直接用new关键字就可以了；产生一个对象也很容易，用单例模式；但是要求一个类只能产生三个对象呢！先来一段故事吧：

  一般情况下，一个朝代的同一个时代只有一个皇帝，那有没有出现过出现过两个皇帝的情况呢，确实有，出现在明朝，那三国算不算？
  问得好，不过不算，各自称帝，各有各的地盘，国号不同，当然不能算。大家还记得《石灰吟》这首诗的作者是谁？于谦。
  他是被谁杀死的？明英宗朱祁镇，对，就是那个在土堡之变中被瓦刺俘虏的皇帝，被俘后，他弟弟朱祁钰当上了皇帝，
  就是明景帝，估计刚当上皇帝乐疯了，忘记把他哥哥朱祁镇升级为太上皇，在那个时期就出现了两个皇帝，
  这期间大臣是非常郁闷的,今天给这个 皇帝汇报，明天给那个皇帝汇报
  

• 类图

• 实现

  public class Emperor{
      //定义最多能产生的实例数量
      private static int maxNumberEmperor=2;
      //每个皇帝都有自己的名字，使用一个ArrayList来容纳，每个对象的私有属性
      private static ArrayList nameList = new ArrayList();
      //定义一个列表，容纳所有的皇帝实例
      private static ArrayList emperorList=new ArratList();
      //当前皇帝的序列号
      private static int countNumOfEmperor=0;
      //产生所有的对象
      static{
          for(int i=0;i

  • 上述代码中，使用了ArrayList分别存储了实例和实例变量，考虑到线程安全可以使用Vector来代替
  • 这种需要生产固定数量对象的模式就叫做有上限的多例模式，我们可以在设计的时候决定在内存中有多少实例，方便系统进行扩展，修正单例可能存在的性能问题，提供系统的响应速度。如读取文件，我们可以在系统启动时完成初始化工作，在内存中启动固定数量的Reader实例，然后在需要读取文件时就可以快速响应。

最佳实践

• 单例模式是23个模式中比较简单的模式，应用也非常广泛，如在spring中， 每个Bean默认就是单例的，这样做的优点就是Spring容器可以管理这些Bean的生命周期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候如何处理，等等。如果采用非单例模式（Prototype类型），则Bean初始化后的管理交由J2EE容器，Spring不再跟踪管理Bean的生命周期

说明

• 摘自秦小波《设计模式之禅》第2版；
• 仅供学习，严禁商业用途；
• 代码手写，没有经编译器编译，有个别错误，自行根据上下文改正。