设计模式之美 - 42 | 单例模式（中）：我为什么不推荐使用单例模式？又有何替代方案？

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上一节课中，我们通过两个实战案例，讲解了单例模式的一些应用场景，比如，避免资源访问冲突、表示业务概念上的全局唯一类。除此之外，我们还学习了 Java 语言中，单例模式的几种实现方法。如果你熟悉的是其他编程语言，不知道你课后有没有自己去对照着实现一下呢？

尽管单例是一个很常用的设计模式，在实际的开发中，我们也确实经常用到它，但是，有些人认为单例是一种反模式（anti-pattern），并不推荐使用。所以，今天，我就针对这个说法详细地讲讲这几个问题：单例这种设计模式存在哪些问题？为什么会被称为反模式？如果不用单例，该如何表示全局唯一类？有何替代的解决方案？

话不多说，让我们带着这些问题，正式开始今天的学习吧！

单例存在哪些问题?

大部分情况下，我们在项目中使用单例，都是用它来表示一些全局唯一类，比如配置信息类、连接池类、ID 生成器类。单例模式书写简洁、使用方便，在代码中，我们不需要创建对象，直接通过类似 IdGenerator.getInstance().getId() 这样的方法来调用就可以了。但是，这种使用方法有点类似硬编码（hard code），会带来诸多问题。接下来，我们就具体看看到底有哪些问题。

1. 单例对 OOP 特性的支持不友好

我们知道，OOP 的四大特性是封装、抽象、继承、多态。单例这种设计模式对于其中的抽象、继承、多态都支持得不好。为什么这么说呢？我们还是通过 IdGenerator 这个例子来讲解。

public class Order {
	public void create(...) {
		//...
		long id = IdGenerator.getInstance().getId();
		//...
	}
}

public class User {
	public void create(...) {
		// ...
		long id = IdGenerator.getInstance().getId();
		//...
	}
}

IdGenerator 的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则，也就违背了广义上理解的 OOP 的抽象特性。如果未来某一天，我们希望针对不同的业务采用不同的 ID 生成算法。比如，订单 ID 和用户 ID 采用不同的 ID 生成器来生成。为了应对这个需求变化，我们需要修改所有用到 IdGenerator 类的地方，这样代码的改动就会比较大。

public class Order {
	public void create(...) {
		//...
		long id = IdGenerator.getInstance().getId();
		// 需要将上面一行代码，替换为下面一行代码
		long id = OrderIdGenerator.getIntance().getId();
		//...
	}
}

public class User {
	public void create(...) {
		// ...
		long id = IdGenerator.getInstance().getId();
		// 需要将上面一行代码，替换为下面一行代码
		long id = UserIdGenerator.getIntance().getId();
	}
}

除此之外，单例对继承、多态特性的支持也不友好。这里我之所以会用“不友好”这个词，而非“完全不支持”，是因为从理论上来讲，单例类也可以被继承、也可以实现多态，只是实现起来会非常奇怪，会导致代码的可读性变差。不明白设计意图的人，看到这样的设计，会觉得莫名其妙。所以，一旦你选择将某个类设计成到单例类，也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。

2. 单例会隐藏类之间的依赖关系

我们知道，代码的可读性非常重要。在阅读代码的时候，我们希望一眼就能看出类与类之间的依赖关系，搞清楚这个类依赖了哪些外部类。

通过构造函数、参数传递等方式声明的类之间的依赖关系，我们通过查看函数的定义，就能很容易识别出来。但是，单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂，这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候，我们就需要仔细查看每个函数的代码实现，才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。

3. 单例对代码的扩展性不友好

我们知道，单例类只能有一个对象实例。如果未来某一天，我们需要在代码中创建两个实例或多个实例，那就要对代码有比较大的改动。你可能会说，会有这样的需求吗？既然单例类大部分情况下都用来表示全局类，怎么会需要两个或者多个实例呢？

实际上，这样的需求并不少见。我们拿数据库连接池来举例解释一下。

在系统设计初期，我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池，这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以，我们把数据库连接池类设计成了单例类。但之后我们发现，系统中有些 SQL 语句运行得非常慢。这些 SQL 语句在执行的时候，长时间占用数据库连接资源，导致其他 SQL 请求无法响应。为了解决这个问题，我们希望将慢 SQL与其他 SQL 隔离开来执行。为了实现这样的目的，我们可以在系统中创建两个数据库连接池，慢 SQL 独享一个数据库连接池，其他 SQL 独享另外一个数据库连接池，这样就能避免慢 SQL 影响到其他 SQL 的执行。

如果我们将数据库连接池设计成单例类，显然就无法适应这样的需求变更，也就是说，单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。所以，数据库连接池、线程池这类的资源池，最好还是不要设计成单例类。实际上，一些开源的数据库连接池、线程池也确实没有设计成单例类。

4. 单例对代码的可测试性不友好

单例模式的使用会影响到代码的可测试性。如果单例类依赖比较重的外部资源，比如DB，我们在写单元测试的时候，希望能通过 mock 的方式将它替换掉。而单例类这种硬编码式的使用方式，导致无法实现 mock 替换。

除此之外，如果单例类持有成员变量（比如 IdGenerator 中的 id 成员变量），那它实际上相当于一种全局变量，被所有的代码共享。如果这个全局变量是一个可变全局变量，也就是说，它的成员变量是可以被修改的，那我们在编写单元测试的时候，还需要注意不同测试用例之间，修改了单例类中的同一个成员变量的值，从而导致测试结果互相影响的问题。关于这一点，你可以回过头去看下第 29 讲中的“其他常见的 AntiPatterns：全局变量”那部分的代码示例和讲解。

5. 单例不支持有参数的构造函数

单例不支持有参数的构造函数，比如我们创建一个连接池的单例对象，我们没法通过参数来指定连接池的大小。针对这个问题，我们来看下都有哪些解决方案。

第一种解决思路是：创建完实例之后，再调用 init() 函数传递参数。需要注意的是，我们在使用这个单例类的时候，要先调用 init() 方法，然后才能调用 getInstance() 方法，否则代码会抛出异常。具体的代码实现如下所示：

public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private final int paramA;
	private final int paramB;
	
	private Singleton(int paramA, int paramB) {
		this.paramA = paramA;
		this.paramB = paramB;
	}
	
	public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			throw new RuntimeException("Run init() first.");
		}
		return instance;
	}
	
	public synchronized static Singleton init(int paramA, int paramB) {
		if (instance != null){
			throw new RuntimeException("Singleton has been created!");
		}
		instance = new Singleton(paramA, paramB);
		return instance;
	}
}

Singleton.init(10, 50); // 先init，再使用
Singleton singleton = Singleton.getInstance();

第二种解决思路是：将参数放到 getIntance() 方法中。具体的代码实现如下所示：

public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private final int paramA;
	private final int paramB;
	
	private Singleton(int paramA, int paramB) {
		this.paramA = paramA;
		this.paramB = paramB;
	}
	
	public synchronized static Singleton getInstance(int paramA, int paramB) {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton(paramA, paramB);
		}
		return instance;
	}
}

Singleton singleton = Singleton.getInstance(10, 50);

不知道你有没有发现，上面的代码实现稍微有点问题。如果我们如下两次执行getInstance() 方法，那获取到的 singleton1 和 signleton2 的 paramA 和 paramB 都是 10 和 50。也就是说，第二次的参数（20，30）没有起作用，而构建的过程也没有给与提示，这样就会误导用户。这个问题如何解决呢？留给你自己思考，你可以在留言区说说你的解决思路。

Singleton singleton1 = Singleton.getInstance(10, 50);
Singleton singleton2 = Singleton.getInstance(20, 30);

第三种解决思路是：将参数放到另外一个全局变量中。具体的代码实现如下。Config 是一个存储了 paramA 和 paramB 值的全局变量。里面的值既可以像下面的代码那样通过静态常量来定义，也可以从配置文件中加载得到。实际上，这种方式是最值得推荐的。

public class Config {
public static final int PARAM_A = 123;
public static fianl int PARAM_B = 245;
}

public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private final int paramA;
	private final int paramB;
	
	private Singleton() {
		this.paramA = Config.PARAM_A;
		this.paramB = Config.PARAM_B;
	}
	
	public synchronized static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

有何替代解决方案？

刚刚我们提到了单例的很多问题，你可能会说，即便单例有这么多问题，但我不用不行啊。我业务上有表示全局唯一类的需求，如果不用单例，我怎么才能保证这个类的对象全局唯一呢？

为了保证全局唯一，除了使用单例，我们还可以用静态方法来实现。这也是项目开发中经常用到的一种实现思路。比如，上一节课中讲的 ID 唯一递增生成器的例子，用静态方法实现一下，就是下面这个样子：

// 静态方法实现方式
public class IdGenerator {
	private static AtomicLong id = new AtomicLong(0);
	
	public static long getId() {
		return id.incrementAndGet();
	}
}

// 使用举例
long id = IdGenerator.getId();

不过，静态方法这种实现思路，并不能解决我们之前提到的问题。实际上，它比单例更加不灵活，比如，它无法支持延迟加载。我们再来看看有没有其他办法。实际上，单例除了我们之前讲到的使用方法之外，还有另外一个种使用方法。具体的代码如下所示：

// 1. 老的使用方式
public demofunction() {
	//...
	long id = IdGenerator.getInstance().getId();
	//...
}

// 2. 新的使用方式：依赖注入
public demofunction(IdGenerator idGenerator) {
	long id = idGenerator.getId();
}
// 外部调用demofunction()的时候，传入idGenerator
IdGenerator idGenerator = IdGenerator.getInsance();
demofunction(idGenerator);

基于新的使用方式，我们将单例生成的对象，作为参数传递给函数（也可以通过构造函数传递给类的成员变量），可以解决单例隐藏类之间依赖关系的问题。不过，对于单例存在的其他问题，比如对 OOP 特性、扩展性、可测性不友好等问题，还是无法解决。

所以，如果要完全解决这些问题，我们可能要从根上，寻找其他方式来实现全局唯一类。实际上，类对象的全局唯一性可以通过多种不同的方式来保证。我们既可以通过单例模式来强制保证，也可以通过工厂模式、IOC 容器（比如 Spring IOC 容器）来保证，还可以通过程序员自己来保证（自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象）。这就类似 Java 中内存对象的释放由 JVM 来负责，而 C++ 中由程序员自己负责，道理是一样的。

对于替代方案工厂模式、IOC 容器的详细讲解，我们放到后面的章节中讲解。

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。

1. 单例存在哪些问题？

• 单例对 OOP 特性的支持不友好
• 单例会隐藏类之间的依赖关系
• 单例对代码的扩展性不友好
• 单例对代码的可测试性不友好
• 单例不支持有参数的构造函数

2. 单例有什么替代解决方案？

为了保证全局唯一，除了使用单例，我们还可以用静态方法来实现。不过，静态方法这种实现思路，并不能解决我们之前提到的问题。如果要完全解决这些问题，我们可能要从根上，寻找其他方式来实现全局唯一类了。比如，通过工厂模式、IOC 容器（比如Spring IOC 容器）来保证，由过程序员自己来保证（自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象）。

有人把单例当作反模式，主张杜绝在项目中使用。我个人觉得这有点极端。模式没有对错，关键看你怎么用。如果单例类并没有后续扩展的需求，并且不依赖外部系统，那设计成单例类就没有太大问题。对于一些全局的类，我们在其他地方 new 的话，还要在类之间传来传去，不如直接做成单例类，使用起来简洁方便。

课堂讨论

1. 如果项目中已经用了很多单例模式，比如下面这段代码，我们该如何在尽量减少代码改动的情况下，通过重构代码来提高代码的可测试性呢？

public class Demo {
	private UserRepo userRepo; // 通过构造哈函数或IOC容器依赖注入
	
	public boolean validateCachedUser(long userId) {
		User cachedUser = CacheManager.getInstance().getUser(userId);
		User actualUser = userRepo.getUser(userId);
		// 省略核心逻辑：对比cachedUser和actualUser...
	}
}

2. 在单例支持参数传递的第二种解决方案中，如果我们两次执行 getInstance(paramA, paramB) 方法，第二次传递进去的参数是不生效的，而构建的过程也没有给与提示，这样就会误导用户。这个问题如何解决呢？

Singleton singleton1 = Singleton.getInstance(10, 50);
Singleton singleton2 = Singleton.getInstance(20, 30);