8、大话设计模式--单例模式 、桥接模式、命令模式、职责链模式、中介者模式

第二十一章：那些类也需要计划生育——单例模式

 

单例模式 ：

 

 

优点：

缺点：

 

所使用的项目是：

 

功能：

 

界面：

 

设计思路：

 

收获：

 

附：

单例模式在程序设计中非常的常见，一般来说，某些类，我们希望在程序运行期间有且只有一个实例，原因可能是该类的创建需要消耗系统过多的资源、花费很多的时间，或者业务上客观就要求了只能有一个实例。一个场景就是：我们的应用程序有一些配置文件，我们希望只在系统启动的时候读取这些配置文件，并将这些配置保存在内存中，以后在程序中使用这些配置文件信息的时候不必再重新读取。

定义：

　　由于某种需要，要保证一个类在程序的生命周期当中只有一个实例，并且提供该实例的全局访问方法。

结构：

　　一般包含三个要素：

　　1.私有的静态的实例对象 private static instance

　　2.私有的构造函数（保证在该类外部，无法通过new的方式来创建对象实例） private Singleton(){}

　　3.公有的、静态的、访问该实例对象的方法 public static Singleton getInstance(){}

UML类图：

分类：

　　单例模式就实例的创建时机来划分可分为：懒汉式与饥汉式两种。

　　举个日常生活中的例子：

　　　　妈妈早上起来为我们做饭吃，饭快做好的时候，一般都会叫我们起床吃饭，这是一般的日常情况。如果饭还没有好的时候，我们就自己起来了（这时候妈妈还没有叫我们起床），这种情况在单例模式中称之为饥汉式（妈妈还没有叫我们起床，我们自己就起来的，就是外部还没有调用自己，自己的实例就已经创建好了）。如果饭做好了，妈妈叫我们起床之后，我们才慢吞吞的起床，这种情况在单例模式中称之为懒汉式（饭都做好了，妈妈叫你起床之后，自己才起的，能不懒汉吗？就是外部对该类的方法发出调用之后，该实例才建立的）。

　　懒汉式：顾名思义懒汉式就是应用刚启动的时候，并不创建实例，当外部调用该类的实例或者该类实例方法的时候，才创建该类的实例。是以时间换空间。

　　懒汉式的优点：实例在被使用的时候才被创建，可以节省系统资源，体现了延迟加载的思想。

　　延迟加载：通俗上将就是：一开始的时候不加载资源，一直等到马上就要使用这个资源的时候，躲不过去了才加载，这样可以尽可能的节省系统资源。

      懒汉式的缺点：由于系统刚启动时且未被外部调用时，实例没有创建；如果一时间有多个线程同时调用LazySingleton.getLazyInstance()方法很有可能会产生多个实例。

　　　　　　　　　也就是说下面的懒汉式在多线程下，是不能保持单例实例的唯一性的，要想保证多线程下的单例实例的唯一性得用同步，同步会导致多线程下由于争夺锁资源，运行效率不高。

　　饥汉式：顾名思义懒汉式就是应用刚启动的时候，不管外部有没有调用该类的实例方法，该类的实例就已经创建好了。以空间换时间。

　　饥汉式的优点：写法简单，在多线程下也能保证单例实例的唯一性，不用同步，运行效率高。

　　饥汉式的缺点：在外部没有使用到该类的时候，该类的实例就创建了，若该类实例的创建比较消耗系统资源，并且外部一直没有调用该实例，那么这部分的系统资源的消耗是没有意义的。

 下面是懒汉式单例类的演示代码：

 1 package singleton;
 2 
 3 /**
 4  * 懒汉式单例类
 5  */
 6 public class LazySingleton {
 7 
 8     //私有化构造函数，防止在该类外部通过new的形式创建实例
 9     private LazySingleton() {
10         System.out.println("生成LazySingleton实例一次！");
11     }
12 
13     //私有的、静态的实例，设置为私有的防止外部直接访问该实例变量，设置为静态的，说明该实例是LazySingleton类型的唯一的
14     //若开始时，没有调用访问实例的方法，那么实例就不会自己创建
15     private static LazySingleton lazyInstance = null;
16 
17     //公有的访问单例实例的方法，当外部调用访问该实例的方法时，实例才被创建
18     public static LazySingleton getLazyInstance() {
19         //若实例还没有创建，则创建实例；若实例已经被创建了，则直接返回之前创建的实例,即不会返回2个实例
20         if (lazyInstance == null) {
21             lazyInstance = new LazySingleton();
22         }
23         return lazyInstance;
24     }
25 }

下面测试类：

 1 package singleton;
 2 
 3 
 4 public class SingletonTest {
 5     public static void main(String[] args) {
 6         LazySingleton lazyInstance1 = LazySingleton.getLazyInstance();
 7         LazySingleton lazyInstance2 = LazySingleton.getLazyInstance();
 8         LazySingleton lazyInstance3 = LazySingleton.getLazyInstance();
 9     }
10 }

在上面的测试类SingletonTest 里面，连续调用了三次LazySingleton.getLazyInstance()方法，

控制台输出：

生成LazySingleton实例一次！

 

下面代码演示饥汉式单例实现：

 1 package singleton;
 2 
 3 public class NoLazySingleton {
 4 
 5     //私有化构造函数，防止在该类外部通过new的形式创建实例
 6     private NoLazySingleton(){
 7         System.out.println("创建NoLazySingleton实例一次！");
 8     }
 9 
10     //私有的、静态的实例，设置为私有的防止外部直接访问该实例变量，设置为静态的，说明该实例是LazySingleton类型的唯一的
11     //当系统加载NoLazySingleton类文件的时候，就创建了该类的实例
12     private static NoLazySingleton instance = new NoLazySingleton();
13 
14     //公有的访问单例实例的方法
15     public static NoLazySingleton getInstance(){
16         return instance;
17     }
18 }

测试代码：

package singleton;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        NoLazySingleton instance = NoLazySingleton.getInstance();
        NoLazySingleton instance1 = NoLazySingleton.getInstance();
        NoLazySingleton instanc2 = NoLazySingleton.getInstance();
        NoLazySingleton instanc3 = NoLazySingleton.getInstance();
    }
}

控制台输出：

创建NoLazySingleton实例一次！

 

上面说到了懒汉式在多线程环境下面是有问题的，下面演示这个多线程环境下很有可能出现的问题：

 1 package singleton;
 2 
 3 /**
 4  * 懒汉式单例类
 5  */
 6 public class LazySingleton {
 7 
 8     //为了易于模拟多线程下，懒汉式出现的问题，我们在创建实例的构造函数里面使当前线程暂停了50毫秒
 9     private LazySingleton() {
10         try {
11             Thread.sleep(50);
12         } catch (InterruptedException e) {
13             e.printStackTrace();
14         }
15         System.out.println("生成LazySingleton实例一次！");
16     }
17 
18     private static LazySingleton lazyInstance = null;
19 
20     public static LazySingleton getLazyInstance() {
21         if (lazyInstance == null) {
22             lazyInstance = new LazySingleton();
23         }
24         return lazyInstance;
25     }
26 }

下面是测试代码： 我们在测试代码里面 新建了10个线程，让这10个线程同时调用LazySingleton.getLazyInstance()方法

 1 package singleton;
 2 
 3 public class SingletonTest {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         for (int i = 0; i < 10; i++) {
 6              new Thread(){
 7                 @Override
 8                 public void run() {
 9                     LazySingleton.getLazyInstance();
10                 }
11             }.start();
12         }
13     }
14 }

结果控制台输出：

生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！
生成LazySingleton实例一次！

没错，你没有看错，控制台输出了10次，表示懒汉式单例模式在10个线程同时访问的时候，创建了10个实例，这足以说明懒汉式单例在多线程下已不能保持其实例的唯一性。

那为什么多线程下懒汉式单例会失效？我们下面分析原因：

　　我们不说这么多的线程，就说2个线程同时访问上面的懒汉式单例，现在有两个线程A和B同时访问LazySingleton.getLazyInstance()方法。

假设A先得到CPU的时间切片，A执行到21行处 if (lazyInstance == null) 时，由于lazyInstance 之前并没有实例化，所以lazyInstance == null为true,在还没有执行22行实例创建的时候

此时CPU将执行时间分给了线程B，线程B执行到21行处 if (lazyInstance == null) 时，由于lazyInstance 之前并没有实例化，所以lazyInstance == null为true，线程B继续往下执行实例的创建过程，线程B创建完实例之后，返回。

此时CPU将时间切片分给线程A，线程A接着开始执行22行实例的创建，实例创建完之后便返回。由此看线程A和线程B分别创建了一个实例（存在2个实例了），这就导致了单例的失效。

 

那如何将懒汉式单例在多线程下正确的发挥作用呢？当然是在访问单例实例的方法处进行同步了

下面是线程安全的懒汉式单例的实现：

 1 package singleton;
 2 
 3 
 4 public class SafeLazySingleton {
 5 
 6     private SafeLazySingleton(){
 7         System.out.println("生成SafeLazySingleton实例一次！");
 8     }
 9 
10     private static SafeLazySingleton instance = null;
11 　　 //1.对整个访问实例的方法进行同步
12     public synchronized static SafeLazySingleton getInstance(){
13         if (instance == null) {
14             instance = new SafeLazySingleton();
15         }
16         return instance;
17     }
　　　　//2.对必要的代码块进行同步
18     public static SafeLazySingleton getInstance1(){
19         if (instance == null) {
20             synchronized (SafeLazySingleton.class){
21                 if (instance == null) {
22                     instance = new SafeLazySingleton();
23                 }
24             }
25         }
26         return instance;
27     }
28 }

 对方法同步：

上面的实现 在12行对访问单例实例的整个方法用了synchronized 关键字进行方法同步，这个缺点很是明显，就是锁的粒度太大，很多线程同时访问的时候导致阻塞很严重。

对代码块同步：

在18行的方法getInstance1中，只是对必要的代码块使用了synchronized关键字，注意由于方法时static静态的，所以监视器对象是SafeLazySingleton.class

同时我们在19行和21行，使用了实例两次非空判断，一次在进入synchronized代码块之前，一次在进入synchronized代码块之后，这样做是有深意的。

肯定有小伙伴这样想：既然19行进行了实例非空判断了，进入synchronized代码块之后就不必再次进行非空判断了，如果这样做的话，会导致什么问题？我们来分析一下：

同样假设我们有两个线程A和B，A获取CPU时间片段，在执行到19行时，由于之前没有实例化，所以instance == null 为true,然后A获得监视器对象SafeLazySingleton.class的锁，A进入synchronized代码块里面；

与此同时线程B执行到19行，此时线程A还没有执行实例化动作，所以此时instance == null 为true,B想进入同步块，但是发现锁在线程A手里，所以B只能在同步块外面等待。此时线程A执行实例化动作，实例化结束之后，返回该实例。

随着线程A退出同步块，A也释放了锁，线程B就获得了该锁，若此时不进行第二次非空判断，会导致线程B也实例化创建一个实例，然后返回自己创建的实例，这就导致了2个线程访问创建了2个实例，导致单例失效。若进行第二次非空判断，发现线程A已经创建了实例，instance == null已经不成立了，则直接返回线程A创建的实例，这样就避免了单例的失效。

 

有细心的网友会发现即便去掉19行非空判断，多线程下单例模式一样有效：

　　线程A获取监视器对象的锁，进入了同步代码块，if(instance == null) 成立，然后A创建了一个实例，然后退出同步块，返回。这时在同步块外面等待的线程B，获取了锁进入同步块，执行if(instance == null)发现instance已经有值了不再是空了，然后直接退出同步块，返回。

　　既然去掉19行，多线程下单例模式一样有效，那为什么还要有进入同步块之前的非空判断（19行）？这应该主要是考虑到多线程下的效率问题：

　　我们知道使用synchronized关键字进行同步，意味着就是独占锁，同一时刻只能有一个线程执行同步块里面的代码，还要涉及到锁的争夺、释放等问题，是很消耗资源的。单例模式，构造函数只会被调用一次。如果我们不加19行，即不在进入同步块之前进行非空判断，如果之前已经有线程创建了该类的实例了，那每次的访问该实例的方法都会进入同步块，这会非常的耗费性能.如果进入同步块之前加上了非空判断，发现之前已经有线程创建了该类的实例了，那就不必进入同步块了，直接返回之前创建的实例即可。这样就基本上解决了线程同步导致的性能问题。

 

多线程下单例的优雅的解决方案：

上面的实现使用了synchronized同步块，并且用了双重非空校验，这保证了懒汉式单例模式在多线程环境下的有效性，但这种实现感觉还是不够好，不够优雅。

下面介绍一种优雅的多线程下单例模式的实现方案：

 1 package singleton;
 2 
 3 public class GracefulSingleton {
 4     private GracefulSingleton(){
 5         System.out.println("创建GracefulSingleton实例一次！");
 6     }
 7     
      //类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系，而且只有被调用到才会装载，从而实现了延迟加载
 8     private static class SingletonHoder{
　　　　　　　//静态初始化器，由JVM来保证线程安全
 9         private static GracefulSingleton instance = new GracefulSingleton();
10     }
11 
12     public static GracefulSingleton getInstance(){
13         return SingletonHoder.instance;
14     }
15 }

上面的实现方案使用一个内部类来维护单例类的实例，当GracefulSingleton被加载的时候，其内部类并不会被初始化，所以可以保证当GracefulSingleton被装载到JVM的时候，不会实例化单例类，当外部调用getInstance方法的时候，才会加载内部类SingletonHoder，从而实例化instance,同时由于实例的建立是在类初始化时完成的，所以天生对多线程友好，getInstance方法也不需要进行同步。

 

单例模式本质上是控制单例类的实例数量只有一个，有些时候我们可能想要某个类特定数量的实例，这种情况可以看做是单例模式的一种扩展情况。比如我们希望下面的类SingletonExtend只有三个实例，我们可以利用Map来缓存这些实例。

 

 1 package singleton;
 2 
 3 import java.util.HashMap;
 4 import java.util.Map;
 5 
 6 public class SingletonExtend {
 7     //装载SingletonExtend实例的容器
 8     private static final Map container = new HashMap();
 9     //SingletonExtend类最多拥有的实例数量
10     private static final int MAX_NUM = 3;
11     //实例容器中元素的key的开始值
12     private static String CACHE_KEY_PRE = "cache";
13     private static int initNumber = 1;
14     private SingletonExtend(){
15         System.out.println("创建SingletonExtend实例1次！");
16     }
17 
18     //先从容器中获取实例，若实例不存在，在创建实例，然后将创建好的实例放置在容器中
19     public static SingletonExtend getInstance(){
20         String key = CACHE_KEY_PRE+ initNumber;
21         SingletonExtend singletonExtend = container.get(key);
22         if (singletonExtend == null) {
23             singletonExtend = new SingletonExtend();
24             container.put(key,singletonExtend);
25         }
26         initNumber++;
27         //控制容器中实例的数量
28         if (initNumber > 3) {
29             initNumber = 1;
30         }
31         return singletonExtend;
32     }
33 
34     public static void main(String[] args) {
35         SingletonExtend instance = SingletonExtend.getInstance();
36         SingletonExtend instance1 = SingletonExtend.getInstance();
37         SingletonExtend instance2 = SingletonExtend.getInstance();
38         SingletonExtend instance3 = SingletonExtend.getInstance();
39         SingletonExtend instance4 = SingletonExtend.getInstance();
40         SingletonExtend instance5 = SingletonExtend.getInstance();
41         SingletonExtend instance6 = SingletonExtend.getInstance();
42         SingletonExtend instance7 = SingletonExtend.getInstance();
43         SingletonExtend instance8 = SingletonExtend.getInstance();
44         SingletonExtend instance9 = SingletonExtend.getInstance();
45         System.out.println(instance);
46         System.out.println(instance1);
47         System.out.println(instance2);
48         System.out.println(instance3);
49         System.out.println(instance4);
50         System.out.println(instance5);
51         System.out.println(instance6);
52         System.out.println(instance7);
53         System.out.println(instance8);
54         System.out.println(instance9);
55     }
56 }

 

控制台输出：

创建SingletonExtend实例1次！
创建SingletonExtend实例1次！
创建SingletonExtend实例1次！
singleton.SingletonExtend@3a3ee284
singleton.SingletonExtend@768965fb
singleton.SingletonExtend@36867e89
singleton.SingletonExtend@3a3ee284
singleton.SingletonExtend@768965fb
singleton.SingletonExtend@36867e89
singleton.SingletonExtend@3a3ee284
singleton.SingletonExtend@768965fb
singleton.SingletonExtend@36867e89
singleton.SingletonExtend@3a3ee284

从控制台输出情况可以看到 我们成功的控制了SingletonExtend的实例数据只有三个

 

下面就单例模式总结一下：

我们讲了什么是单例模式，它的结构是怎么样的，并且给出了单例的类图，讲了单例的分类：懒汉式和饥汉式，分别讲了它们在单线程、多线程环境下的实现方式，它们的优点和缺点，以及优雅的单例模式的实现，最后讲了单例模式的扩展

来源： http://www.cnblogs.com/lewis0077/p/5128971.html

 

 

 

第二十二章：手机何时同一——桥接模式

桥接模式 ：

 

 

优点：

缺点：

 

所使用的项目是：不同品牌手机不同软件的运行

 

功能：

 

界面：

 

设计思路：

 

 最后一种，就是桥接模式

收获：

 

 

第二十三章：烤羊肉串引来的思考——命令模式

命令模式 ：将一个请求封装成一个对象，使得你用不同的请求把客户端参数化，对请求排队或者记录请求日志，可以提供命令的撤销和恢复功能。

  

优点：

缺点：

 

所使用的项目是：烧烤

 

功能：

 

界面：

 

设计思路：

 

收获：

 

第二四章：加薪非要老总批——职责链模式

职责链模式 ：

 

 

优点：

缺点：

 

所使用的项目是：加薪申请

 

功能：

 

界面：

 

设计思路：

 

 

收获：

 

第二十五章：世界需要和平——中介者模式

中介者模式 ：定义一个中介对象来封装系列对象之间的交互。中介者使各个对象不需要显示地相互引用，从而使其耦合性松散，而且可以独立地改变他们之间的交互。

 

 

优点：

缺点：

 

 

所使用的项目是：联合国

 

功能：

 

界面：

 

设计思路：

 

 

 

收获：

 

附：

一、初识中介者模式

那些年，我们一起上过的大学，班级里有班长，有团书记。想一想如果没有QQ这种通讯工具的话，那么班长或者团支书该怎样下达消息呢？？同时，班级上两个同学之间也可惜沟通啊，沟通一下，院里哪个女生，哪个帅哥呀~~~如果没有QQ的话，大概就是下面的情景：

哎呀呀，看看这个乱那。如果同学的数目多起来就会变成网状的结构啦。原本把一个系统分割成一些对象是可以增强复用性的，但是现在的情况是，这些兑现之间存在着大量的联系，耦合性极高。这是很不利于复用的，同时这种情况使得系统的灵活性大大的降低，使得对系统的扩展很难，要是新转来一个学生的话，要改动的地方就多了去了。

如果现在可以使用QQ，那么可以采用另一种方式设计这个系统呢，比如做成星形的结构：

看看这种“星形结构”和“网状结构”的区别吧，显然采用星形结构就可以避免上面的网状结构存在的问题了，实际上这里的QQ就是指的是中介，这样一来每个学生对象就不用存在耦合了，同学之间需要交流可以通过一个QQ群。

本人认为，由原来的网状结构到星形结构的转变是理解中介者模式比较好的途径，下面来具体看看中介者模式，GoF说：

---

中介者模式（Mediator Pattern）：定义一个中介对象来封装系列对象之间的交互。中介者使各个对象不需要显示地相互引用，从而使其耦合性松散，而且可以独立地改变他们之间的交互。

---

看看结构图的形象描述吧：

对于设计模式这个东西，理解了，应该写一个代码体会一下：看看这些类，比如：Mediator，ConcreteMediator，Colleague和ConcreteColleage1到底是怎么组织的。

View Code

下面是运行的结果：

看看，这样就利用qq这个平台完成了同学之间的交流。并且同学之间并没有相互联系，联系都是通过qq实现的，如果现在要对象进行扩展，比如也可以通过飞信啊，只需要加入class FeiXin:public Mediator 就可以了，如果想扩展同学C只需要，class StudentC:public Colleage 即可。并且在客户端的使用也是很方便的哦~~这时回过头想一想如果不用“中介者模式”的话，系统会是什么样呢？？？

二、使用中介者模式的场合和优缺点

使用终结者模式的场合

1.一组定义良好的对象，现在要进行复杂的通信。

2.定制一个分布在多个类中的行为，而又不想生成太多的子类。

可以看出，中介对象主要是用来封装行为的，行为的参与者就是那些对象，但是通过中介者，这些对象不用相互知道。呵呵~~~

使用中介者模式的优点：

1.降低了系统对象之间的耦合性，使得对象易于独立的被复用。

2.提高系统的灵活性，使得系统易于扩展和维护。

使用中介者模式的缺点：

中介者模式的缺点是显而易见的，因为这个“中介“承担了较多的责任，所以一旦这个中介对象出现了问题，那么整个系统就会受到重大的影响。

来源： http://www.cnblogs.com/BeyondAnyTime/archive/2012/08/30/2663922.html