设计模式学习--单例模式

单例模式动机

对于系统中某些类来说，只有一个实例是很重要的，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统。因此有时确保系统中某个对象的唯一性即一个类只能有一个实例非常重要。
如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法就是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的动机。

单例模式定义

单例模式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，这个类成为单例类，它提供全局访问的方法。
单例模式的要点有三个：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
单例模式是一种对象创建模式，又名单件模式或单态模式。

单例模式结构图

单例模式只包含一个Singleton（单例角色）：在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance（）工厂方法，让客户可以使用它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为似有；在单例类内部定义了一个Singletong类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。

模式分析

单例模式的目的是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。

public class Singleton {
    private static Singleton instance=null;//静态私有成员变量
    //私有构造函数
    private Singleton(){}
    //静态工厂方法，返回唯一实例
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null)
            instance=new Singleton();
        return instance;
    }
}

为了测试单例类所创建对象的唯一性，可以编写如下客户端测试代码：

public class ClientTest {
    public static void main(String args[]){
        Singleton s1=Singleton.getInstance();
        Singleton s2=Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1==s2);
    }
}

输出结果：

true

在单例模式的实现过程中，需要注意一下三点：
1.单例类的构造模式为私有
2.提供一个自身的静态私有成员变量
3.提供一个公有的静态工厂方法

单例模式实例与解析

1.实例说明
在现实生活中，居民身份证具有唯一性，同一个人不允许有多个身份证号码，第一次申请身份证将给居民分配一个身份证号码，如果之后因为遗失等原因补办时，还是使用原来的身份证号码，不会产生新的号码。
2.实例类图

身份证号码类图

3.实例代码及解释
单例类IdentityCardNo如下：

public class IdentityCardNo {
    private static IdentityCardNo instance=null;
    private String no;
    
    private IdentityCardNo(){}
    
    public static IdentityCardNo getInstance(){
        if(instance==null){
            System.out.println("第一次办理身份证，分配新号码");
            instance=new IdentityCardNo();
            instance.setIdentityCardNo("No123456789");
        }else{
            System.out.println("重复办理身份证，获取旧号码");
        }
        return instance;
    }

    private void setIdentityCardNo(String no) {
        this.no=no;
    }
    private void getIdentityCardNo() {
        this.no=no;
    }
}

客户端代码如下：

public class ClientTest {
    public static void main(String a[]){
        IdentityCardNo no1,no2;
        no1=IdentityCardNo.getInstance();
        no2=IdentityCardNo.getInstance();
        System.out.println("身份证号码是否一致： "+ (no1==no2));
        
        String str1,str2;
        str1=no1.getIdentityCardNo();
        str2=no2.getIdentityCardNo();
        System.out.println("第一次号码："+str1);
        System.out.println("第二次号码："+str2);
        System.out.println("内容是否相等："+str1.equals(str2));
        System.out.println("是否是相同对象："+(str1==str2));
    }
}

运行结果如下：

第一次办理身份证，分配新号码
重复办理身份证，获取旧号码
身份证号码是否一致： true
第一次号码：No123456789
第二次号码：No123456789
内容是否相等：true
是否是相同对象：true

从结果可以看出，两次创建的IdentityCardNo对象内存地址相同，是同一个对象；封装在其中的号码no属性不仅值相等，而且内存地址也相等，是同一个成员属性。

单例模式优缺点

优点：
（1）提供了 对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。
（2）由于在系统中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能
（3）允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。
缺点：
（1）由于单例模式没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难
（2）单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品本身的功能融合到一起。
（3）滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计成单例类，可能导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出。等。

模式适用环境

1.系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
2.客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。

单例模式扩展

（1）饿汉式单例类：在定义静态变量时实例化单例类，因此在类加载的时候就已经创建了单例对象。

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton instance=null;
    private EagerSingleton(){}
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

在这个类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建。Java语言中单例类的一个重要的特点是类的构造函数是私有的，从而避免外界利用构造函数直接创建出任意多的实例。
（2）懒汉式单例类：与饿汉式单例类相同之处是，懒汉式单例类的构造函数也是私有的。与饿汉式单例类不同的是，懒汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化，在懒汉式单例类被加载时不会讲自己实例化。

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance=null;
    private LazySingleton(){}
    synchronized public static LazySingleton getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new LazySingleton();
        }
            return instance;
    }
}