单例模式

 

7.1 我是皇帝我独苗

     自从秦始皇确立了皇帝这个位置以后，同一时期基本上就只有一个人孤零零的坐这个位置。这种情况下臣民们也好处理，大家叩拜、谈论的时候只要提及皇帝，每个人都知道指的是谁，而不用在皇帝前前面加上特定的称呼，如张皇帝，李皇帝。这一个过程反应到设计领域就是，要求一个类只能生成一个对象（皇帝），所有对象对它的依赖都是相同的，因为只有一个对象，大家对它的脾气和习性都非常了解，建立健壮稳固的关系，我们把皇帝这种特殊职业通过程序来实现。

     皇帝每天要出朝接待臣子，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私有访问权限不就不可以创建对象了吗？说干就干，臣子叩拜唯一皇帝的过程如类图7-1所示。

图7-1 大臣参拜皇帝类图

     只有两个类，Emperor代表皇帝类，Minister代表大臣类，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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

public class Emperor {

 

private static final Emperor emperor =new Emperor();//初始化一个皇帝

 

private 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 static void say(){

 

System.out.println("我就是皇帝某某某....");

 

}

 

}

     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

 

public class Minister {
public static void main(String[] args) {
for(int day=0;day<3;day++){
Emperor emperor=Emperor.getInstance();
emperor.say();
}
//三天见的皇帝都是同一个人，荣幸吧！
}
}

 

 

     臣子参拜皇帝的运行结果如下所示。

我就是皇帝某某某....

我就是皇帝某某某....

我就是皇帝某某某....

     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。

7.2 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。

图7-2 单例模式通用类图

     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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

public class Singleton {

 

private static final Singleton singleton = new Singleton();

 

//限制产生多个对象

 

private Singleton(){

 

}

 

//通过该方法获得实例对象

 

public static Singleton getSingleton(){

 

return singleton;

 

}

 

//类中其他方法，尽量是static

 

public static void doSomething(){

 

}

 

}

7.3 单例模式应用

1. 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的被创建、销毁，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，减少了系统性能开销，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，优化环共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

2. 单例模式的缺点

• 单例模式没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码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的意义，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。
• 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的逻辑，而不关心它是否是单例的，决定它是不是要单例是环境决定的，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合也在一个类中。

3. 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”时，则可以采用单例模式，具体的场景如下：

• 要求生成唯一序列号的环境；
• 在整个项目中需要有访问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、访问数据库等资源；
• 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）；

4. 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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

public class Singleton {

 

private static Singleton singleton = null;

 

//限制产生多个对象

 

private Singleton(){

 

}

 

//通过该方法获得实例对象

 

public static Singleton getSingleton(){

 

if(singleton == null){

 

singleton = new Singleton();

 

}

 

return singleton;

 

}

 

}

     该单例模式在较低的并发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B线程获得判断条件也是为真，于是继续运行下去，A线程获得了一个对象，B线程也获得了一个对象，在内存中就出现两个对象！

     解决线程不安全的方法很有多，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，建议读者使用代码清单7-3所示的方式。

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

7.4 单例模式的扩展

     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个、三个对象呢？该怎么实现呢？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，昨天给一个皇帝汇报，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 多个皇帝类图

     类图看起来还是简单，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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

public class Emperor {

 

//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<Emperor> emperorList=new ArrayList<Emperor>();

 

//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 Emperor("皇"+(i+1)+"帝"));

 

}

 

}

 

private Emperor(){

 

//世俗和道德约束你，目的就是不产生第二个皇帝

 

}

 

//传入皇帝名称，建立一个皇帝对象

 

private Emperor(String name){

 

nameList.add(name);

 

}

 

//随机获得一个皇帝对象

 

public static Emperor getInstance(){

 

Random random = new Random();

 

countNumOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor); //随机拉出一个皇帝，只要是个精神领袖就成

 

return emperorList.get(countNumOfEmperor);

 

}

 

//皇帝发话了

 

public static 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代码

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

public class Minister {

 

public static void main(String[] args) {

 

//定义5个大臣

 

int ministerNum =5;

 

for(int i=0;i<ministerNum;i++){

 

Emperor emperor = Emperor.getInstance();

 

System.out.print("第"+(i+1)+"个大臣参拜的是：");

 

emperor.say();

 

}

 

}

 

}

     大臣参拜皇帝的结果如下所示。

第1个大臣参拜的是：皇1帝

第2个大臣参拜的是：皇2帝

第3个大臣参拜的是：皇1帝

第4个大臣参拜的是：皇1帝

第5个大臣参拜的是：皇2帝

     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。

7.5 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初始化后的管理则交由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模式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，则会出现回复原状的情况，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。