单例模式的理论与实践

本文实践代码仓库：https://github.com/goSilver/my_practice

一、定义

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点以访问该实例。单例模式常用于需要共享资源或控制某个唯一资源的场景，例如数据库连接、线程池等。

二、作用

单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个对象实例存在，从而方便地共享资源、管理状态或控制某些操作。

从业务概念上，有些数据在系统中只应该保存一份，就比较适合设计为单例类。比如，系统的配置信息类。除此之外，我们还可以使用单例解决资源访问冲突的问题。

三、实现

要实现一个单例，我们需要关注的点无外乎下面几个：

• 构造函数需要是 private 访问权限的，这样才能避免外部通过 new 创建实例；
• 考虑对象创建时的线程安全问题；
• 考虑是否支持延迟加载；
• 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。

3.1 饿汉式

饿汉式的实现方式比较简单。在类加载的时候，instance 静态实例就已经创建并初始化好了，所以，instance 实例的创建过程是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载（在真正用到IdGenerator 的时候，再创建实例）。

如果实例资源初始化时间长、占用资源多，那么最好是采用饿汉式，将耗时的初始化操作提前到程序启动时就完成，避免程序在运行中发生崩溃。

public class Hungry {

    private final AtomicLong id = new AtomicLong(0);

    /**
     * 类加载时就初始化
     */
    private static final Hungry instance = new Hungry();

    private Hungry() {
    }

    public static Hungry getInstance() {
        return instance;
    }

    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

3.2 懒汉式

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。这种实现方式会导致频繁加锁、释放锁，以及并发度低等问题，频繁的调用会产生性能瓶颈。

public class Lazy {

    private final AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private static Lazy instance;

    private Lazy() {
    }

    /**
     * 获取实例的方法被synchronized关键字修饰
     * @return 实例
     */
    public static synchronized Lazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Lazy();
        }
        return instance;
    }

    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

3.3 双重检查

双重检测实现方式既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式。**只要 instance 被创建之后，再调用 getInstance() 函数都不会进入到加锁逻辑中。**所以，这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。

public class DoubleCheck {
    private final AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    /**
     * volatile关键字修饰
     * CPU 指令重排序可能导致在 IdGenerator 类的对象被关键字 new 创建并赋值给 instance 之后，还没来得及初始化（执行构造函数中的代码逻辑），就被另一个线程使用了。
     * 这样，另一个线程就使用了一个没有完整初始化的 IdGenerator 类的对象。
     * 要解决这个问题，我们只需要给 instance 成员变量添加 volatile 关键字来禁止指令重排序即可。
     */
    private static volatile DoubleCheck instance;

    private DoubleCheck() {
    }

    /**
     * 双重检查
     * @return 实例
     */
    public static DoubleCheck getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 只有第一次才会执行到这里，此处为类级别锁
            synchronized (DoubleCheck.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DoubleCheck();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

3.4 静态内部类

利用 Java 的静态内部类来实现单例。这种实现方式，既支持延迟加载，也支持高并发，实现起来也比双重检测简单。

public class StaticInnerClass {
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private StaticInnerClass() {
    }

    /**
     * 静态内部类
     * SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。
     * 只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。
     * instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClass instance = new StaticInnerClass();
    }

    public static StaticInnerClass getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

3.5 枚举

最简单的实现方式，基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。

public enum Enumm {
    /**
     * 实例
     */
    INSTANCE;
    private final AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

四、总结

4.1 单例存在哪些问题？

1. 单例对 OOP 特性的支持不友好

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

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

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。

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。

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。

4.2 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。