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。

7-1

    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

7-2

    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。

7-3

    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。

学习于:《设计模式之禅》 — 秦小波