设计模式之单例模式

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宗旨

Ensure a class has only one instance,and provide a global point of access to it.（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。）

一个皇帝原则

皇帝每天要上朝接待臣子、处理政务，臣子每天要叩拜皇帝，皇帝只能有一个，也就是一个类只能产生一个对象，该怎么实现呢？对象产生是通过new关键字完成的（当然也有其他方式，比如对象拷贝、反射等），这个怎么控制呀，但是大家别忘记了构造函数，使用new关键字创建对象时，都会根据输入的参数调用相应的构造函数，如果我们把构造函数设置为private私有访问权限不就可以禁止外部创建对象了吗？臣子叩拜唯一皇帝的过程如类图7-1所示。

图7-1 臣子叩拜皇帝类图

只有两个类，Emperor代表皇帝类，Minister代表臣子类，关联到皇帝类非常简单。Emperor如代码清单7-1所示。

代码清单7-1 皇帝类

public class Emperor {private static final Emperor emperor = new Emperor();//初始化一个皇帝public Emperor() {//世俗和道德约束你，目的就是不希望产生第二个皇帝}public static Emperor getInstance(){return emperor;}//皇帝发话了public void say(){System.out.println("我就是皇帝Jacob...");}}

通过定义一个私有访问权限的构造函数，避免被其他类new出来一个对象，而Emperor自己则可以new一个对象出来，其他类对该类的访问都可以通过getInstance获得同一个对象。
皇帝有了，臣子要出场，其类如代码清单7-2所示。

代码清单7-2 臣子类

//代码清单7-2 臣子类
public class Minister {public static void main(String[] args) {for (int day=0;day<3;day++){Emperor emperor = Emperor.getInstance();//打印一下地址,判断是否相同System.out.println(emperor);emperor.say();}}
}臣子参拜皇帝的运行结果如下所示。
我就是皇帝Jacob...
cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor@299a06ac
我就是皇帝Jacob...
cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor@299a06ac
我就是皇帝Jacob...

臣子天天要上朝参见皇帝，今天参拜的皇帝应该和昨天、前天的一样（过渡期的不考虑，别找茬哦），大臣磕完头，抬头一看，嗨，还是昨天那个皇帝，老熟人了，容易讲话，这就是单例模式。

单例模式的定义

单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其定义如下：
Ensure a class has only one instance,and provide a global point of access to it.（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。）

单例模式的通用类图如图7-2所示

如图7-2 单例模式通用类

Singleton类称为单例类，通过使用private的构造函数确保了在一个应用中只产生一个实例，并且是自行实例化的（在Singleton中自己使用new Singleton（））。

单例模式的通用源代码如代码清单7-3所示。

代码清单7-3 单例模式通用代码

public class Emperor {private static final Emperor emperor = new Emperor();//初始化一个皇帝//限制产生多个对象public Emperor() {}//通过该方法获取实例对象public static Emperor getInstance(){return emperor;}public static void doSomething(){System.out.println("皇帝要睡觉了...");}
}

单例模式的应用

单例模式的优点

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。
由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（在Java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制）。
单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。
单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。
单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景

在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现“不良反应”，可以采用单例模式，具体的场景如下：

要求生成唯一序列号的环境；
在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的；
创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源；
需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）。

单例模式的注意事项

首先，在高并发情况下，请注意单例模式的线程同步问题。单例模式有几种不同的实现方式，上面的例子不会出现产生多个实例的情况，但是如代码清单7-4所示的单例模式就需要考虑线程同步。

代码清单7-4 线程不安全的单例

public class Singleton {private static Singleton singleton = null;public Singleton() {}public static Singleton getInstance(){if (singleton == null){singleton = new Singleton();}return singleton;}
}

该单例模式在低并发的情况下尚不会出现问题，若系统压力增大，并发量增加时则可能在内存中出现多个实例，破坏了最初的预期。为什么会出现这种情况呢？如一个线程A执行到singleton=new Singleton（），但还没有获得对象（对象初始化是需要时间的），第二个线程B也在执行，执行到（singleton==null）判断，那么线程B获得判断条件也是为真，于是继续运行下去，线程A获得了一个对象，线程B也获得了一个对象，在内存中就出现两个对象！

解决线程不安全的方法有很多，可以在getSingleton方法前加synchronized关键字，也可以在getSingleton方法内增加synchronized来实现，但都不是最优秀的单例模式，建议读者使用如代码清单7-3所示的方式（有的书上把代码清单7-3中的单例称为饿汉式单例，在代码清单7-4中增加了synchronized的单例称为懒汉式单例）。

其次，需要考虑对象的复制情况。在Java中，对象默认是不可以被复制的，若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制是不用调用类的构造函数，因此即使是私有的构造函数，对象仍然可以被复制。在一般情况下，类复制的情况不需要考虑，很少会出现一个单例类会主动要求被复制的情况，解决该问题的最好方法就是单例类不要实现Cloneable接口。

如果一个类可以产生多个对象，对象的数量不受限制，则是非常容易实现的，直接使用new关键字就可以了，如果只要有一个对象，使用单例模式就可以了，但是如果要求一个类只能产生两三个对象呢？该怎么实现？我们还以皇帝为例来说明。

一般情况下，一个朝代的同一个时代只有一个皇帝，那有没有出现两个皇帝的情况呢？确实有，就出现在明朝，那三国期间的算不算？不算，各自称帝，各有各的地盘，国号不同。大家还记得《石灰吟》这首诗吗？作者是谁？于谦。他是被谁杀死的？明英宗朱祁镇。对，就是那个在土木堡之变中被瓦刺俘虏的皇帝，被俘虏后，他弟弟朱祁钰当上了皇帝，就是明景帝，估计刚当上皇帝乐疯了，忘记把他哥哥朱祁镇升级为太上皇，在那个时期就出现了两个皇帝，这期间的的大臣是非常郁闷的，为什么呀？因为可能出现今天参拜的皇帝和昨天的皇帝不相同，昨天给那个皇帝汇报，今天还要给这个皇帝汇报一遍，该情况的类图如图7-3所示。

图7-3 多个皇帝类

这个类图看起来还算简单，但是实现就有点复杂了。Emperor类如代码清单7-5所示。

//代码清单7-5 固定数量的皇帝类
public class Emperor2 {//定义最多能产生的实例数量private static int maxNumOfEmperor = 2;//每个皇帝都有名字，使用一个ArrayList来容纳，每个对象的私有属性private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();//定义一个列表，容纳所有的皇帝实例private static ArrayList<Emperor2> emperorList = new ArrayList<Emperor2>();//当前皇帝序列号private static int countNumOfEmperor = 0;//产生所有的对象static {for (int i=0;i<maxNumOfEmperor;i++){emperorList.add(new Emperor2("皇帝"+i));}}//皇帝名称private String name;public Emperor2() {}public Emperor2(String name) {nameList.add(name);}public static Emperor2 getInstance(){Random random = new Random();countNumOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor);return emperorList.get(countNumOfEmperor);}public  void say(){System.out.println(nameList.get(countNumOfEmperor));}
}

在Emperor中使用了两个ArrayList分别存储实例和实例变量。当然，如果考虑到线程安全问题可以使用Vector来代替。臣子参拜皇帝的过程如代码清单7-6所示。

代码清单7-6 臣子参拜皇帝的过程

public class Minister2 {public static void main(String[] args) {//定义5个大臣int ministerNum=5;for(int i=0;i<ministerNum;i++) {Emperor2 emperor = Emperor2.getInstance();System.out.print("第" + (i + 1) + "个大臣参拜的是："+emperor);emperor.say();}}
}大臣参拜皇帝的结果如下所示。
第1个大臣参拜的是：cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor2@383534aa皇帝1
第2个大臣参拜的是：cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor2@383534aa皇帝1
第3个大臣参拜的是：cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor2@6bc168e5皇帝0
第4个大臣参拜的是：cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor2@6bc168e5皇帝0
第5个大臣参拜的是：cn.wzq.design.mode.singleton.Emperor2@383534aa皇帝1

看，果然每个大臣参拜的皇帝都可能不一样，大臣们就开始糊涂了，A大臣给皇1帝汇报了一件事情，皇2帝不知道，然后就开始怀疑大臣A是皇1帝的亲信，然后就想办法开始整……
这种需要产生固定数量对象的模式就叫做有上限的多例模式，它是单例模式的一种扩展，采用有上限的多例模式，我们可以在设计时决定在内存中有多少个实例，方便系统进行扩展，修正单例可能存在的性能问题，提供系统的响应速度。例如读取文件，我们可以在系统启动时完成初始化工作，在内存中启动固定数量的reader实例，然后在需要读取文件时就可以快速响应。

最佳实践

单例模式是23个模式中比较简单的模式，应用也非常广泛，如在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理这些Bean的生命期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候要如何处理，等等。如果采用非单例模式（Prototype类型），则Bean初始化后的管理交由J2EE容器，Spring容器不再跟踪管理Bean的生命周期。

使用单例模式需要注意的一点就是JVM的垃圾回收机制，如果我们的一个单例对象在内存中长久不使用，JVM就认为这个对象是一个垃圾，在CPU资源空闲的情况下该对象会被清理掉，下次再调用时就需要重新产生一个对象。如果我们在应用中使用单例类作为有状态值（如计数器）的管理，则会出现恢复原状的情况，应用就会出现故障。如果确实需要采用单例模式来记录有状态的值，有两种办法可以解决该问题：

由容器管理单例的生命周期

Java EE容器或者框架级容器（如Spring）可以让对象长久驻留内存。当然，自行通过管理对象的生命期也是一个可行的办法，既然有那么多的工具提供给我们，为什么不用呢？
状态随时记录

可以使用异步记录的方式，或者使用观察者模式，记录状态的变化，写入文件或写入数据库中，确保即使单例对象重新初始化也可以从资源环境获得销毁前的数据，避免应用数据丢失。