Java的23种设计模式----单例模式

Java的23种设计模式——单例模式

1、引子

单例模式是设计模式中使用很频繁的一种模式，在各种开源框架、应用系统中多有应用，并对有人提出的“单例模式是邪恶的”这个观点进行了一定的分析。

2、定义与结构

• 单例模式又叫做“单态模式”或者“单件模式”
• 在GOF书中给出的定义为：
  
  1. 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点
• 单例模式中的“单例”通常用来代表那些本质上具有唯一性的系统组件（或者叫做资源）。比如文件系统、资源管理器等等。
• 单例模式的目的就是要控制特定的类只产生一个对象，当然也允许在一定情况下灵活的改变对象的个数
• 那么如何来实现单例模式呢？（一个类的对象的产生，是由类构造函数来完成的，如果想限制对象的产生，）
  
  1. 将构造函数变为私有的（至少是受保护的），使的外面的类不能通过引用来产生对象
  2. 同时为了保证类的可用性，就必须提供一个自己的对象以及访问这个对象的静态方法
     

现在对单例模式有了大概的了解了吧，其实单例模式在实现上是非常简单的——只有一个角色，而客户则通过调用类方法来得到类的对象

单例模式可分为有状态的和无状态的。有状态的单例对象一般也是可变的单例对象，多个单态对象在一起就可以作为一个状态仓库一样向外提供服务。没有状态的单例对象也就是不变单例对象，仅用做提供工具函数

3、代码实现

• 在单例模式中的实现上有几种不同的方式。

3.1、饿汉式

• 《Java与模式》中被称为“饿汉式”

/**
 * 饿汉式
 */
public class SingleDemo {
    //在自己内部定义自己一个实例
    //注意这里是private，只供内部使用
    private static SingleDemo instance=new SingleDemo();

    //如上面所述，将构造函数私有化
    private SingleDemo(){

    }

    //静态工厂方法，提供了一个供外部访问得到对象的方法
    public static SingleDemo getInstance(){
        return instance;
    }
}

3.2、懒汉式

/**
 * 懒汉式
 */
public class SingleDemo {
    //在自己内部定义自己一个实例
    //注意这里是private，只供内部使用   
    //和上面有什么不同？
    private static SingleDemo instance=null;

    //将构造函数私有化
    private SingleDemo(){

    }

    //静态工厂方法
    public static synchronized SingleDemo getInstance(){
        //这个方法比“饿汉式”有所改进
        if(instance==null){
            instance= new SingleDemo();
        }
        return instance;
    }
}

3.3、两者对比

• “饿汉式”和“懒汉式”有什么不同呢？

• 首先对比一下实现方式

  1. 构造函数都是私有化，无法使用构造函数来得到类的实例，但是这样也使得类失去了多态性（大概这就是为什么有人喜欢将这种模式称之为‘单态模式’的原因吧！）
  2. 懒汉式中，对静态方法工厂进行了同步处理，为了防止多线程环境中产生多个实例，饿汉式中不存在这种情况
  3. 饿汉式中类加载的时候实例化，这样对此加载会造成对此实例化，懒汉式使用了同步处理，在反应速度上会比饿汉式慢一些

• 在 《java 与模式》书中提到，就 java 语言来说，第一种方式更符合 java 语言本身的特点。

以上两种实现方式均失去了多态性，不允许被继承。

3.4、附加（注册表方式）

还有另外一种灵活点的实现，将构造函数设置为受保护的，这样允许被继承产生子类。这种方式在具体实现上又有所不同，可以将父类中获得对象的静态方法放到子类中再实现；也可以在父类的静态方法中进行条件判断来决定获得哪一个对象；在 GOF 中认为最好的一种方式是维护一张存有对象和对应名称的注册表（可以使用 HashMap 来实现）。

• 下面的实现参考《java 与模式》采用带有注册表的方式

import java.util.HashMap;

/**
 * 《java与模式》采用带有注册表的方式
 */
public class SingleDemo {
    //用来存放对应关系
    private static HashMap sinRegistry =new HashMap();

    static private SingleDemo s =new SingleDemo();

    //受保护的构造函数
    protected SingleDemo(){

    }

    public static SingleDemo getInstance(String name){
        if(name==null){
            name="Singleton";
        }

        if(sinRegistry.get(name)==null){
            try {
                sinRegistry.put(name, Class.forName(name).newInstance());
            } catch (Exception e) {
                e.getStackTrace();
            }
        }
        return (SingleDemo)(sinRegistry.get(name));
    }
}

/**
 * SingleDemoChild
 */
public class SingleDemoChild extends SingleDemo{

    public SingleDemoChild(){

    }

    static public SingleDemoChild getInstance(){
        return (SingleDemoChild)SingleDemo.getInstance("SingleDemoChild");
    }
}

• 由于在 java 中子类的构造函数的范围不能比父类的小，所以可能存在不守规则的客户程序使用其构造函数来产生实例，造成单例模式失效。

4、单例模式邪恶论

• 单例模式在 java 中的使用存在很多陷阱和假象，这使得没有意识到单例模式使用局限性的你在系统中布下了隐患……
• 下面一一列举单例模式的陷阱
• 多个虚拟机

当系统中的单例类被拷贝运行在多个虚拟机下的时候，在每一个虚拟机下都可以创建一个实例对象。在使用了EJB、JINI、RMI技术的分布式系统中，由于中间件屏蔽掉了分布式系统在物理上的差异，所以对于你来说，想知道具体哪个虚拟机下运行着哪个单例是很困难的。

因此，在使用以上分布式技术系统中，应该避免使用存在状态的单例模式，因为一个有状态的单例类，在不同的虚拟机上，各个单例对象保存的状态很可能是不一样的，问题也就随之产生。而且在 EJB 中不要使用单例模式来控制访问资源，因为这是由 EJB 容器来负责的。在其它的分布式系统中，当每一个虚拟机中的资源是不同的时候，可以考虑使用单例模式来进行管理。

• 多个类加载器

当存在多个类加载器加载类的时候，即使它们加载的是相同包名，相同类名甚至每个字节都完全相同的类，也会被区别对待的。因为不同的类加载器会使用不同的命名空间（namespace）来区分同一个类。因此，单例类在多加载器的环境下会产生多个单例对象。也许你认为出现多个类加载器的情况并不是很多。其实多个类加载器存在的情况并不少见。在很多 J2EE 服务器上允许存在多个 servlet 引擎，而每个引擎是采用不同的类加载器的；浏览器中 applet 小程序通过网络加载类的时候，由于安全因素，采用的是特殊的类加载器，等等。这种情况下，由状态的单例模式也会给系统带来隐患。因此除非系统由协调机制，在一般情况下不要使用存在状态的单例模式。

• 错误的同步处理

在使用上面介绍的懒汉式单例模式时，同步处理的恰当与否也是至关重要的。不然可能会达不到得到单个对象的效果，还可能引发死锁等错误。因此在使用懒汉式单例模式时一定要对同步有所了解。不过使用饿汉式单例模式就可以避免这个问题。

• 子类破坏了对象控制

由于类构造函数变得不再私有，就有可能失去对对象的控制。这种情况只能通过良好的文档来规范

• 串行化（可序列化）

为了使一个单例类变成可串行化的，仅仅在声明中添加“implements Serializable”是不够的。因为一个串行化的对象在每次返串行化的时候，都会创建一个新的对象，而不仅仅是一个对原有对象的引用。为了防止这种情况，可以在单例类中加入 readResolve 方法。 关于这个方法的具体情况请参考《Effective Java》一书第 57 条建议。其实对象的串行化并不仅局限于上述方式，还存在基于 XML 格式的对象串行化方式。这种方式也存在上述的问题，所以在使用的时候要格外小心。

5、题外话

• 抛开单例模式，使用下面一种简单的方式也能得到单例，而且如果你确信此类永远是单例的，使用下面这种方式也许更好一些。

public static final SingleDemo INSTANCE = new SingleDemo();

• 而使用单例模式提供的方式，这可以在不改变 API 的情况下，改变我们对单例类的具体要求。