Android设计模式源码解析之单例模式

From https://github.com/simple-android-framework-exchange/android_design_patterns_analysis/tree/master/singleton/mr.simple

模式介绍

1 模式的定义

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

2 模式的使用场景

确保某个类有且只有一个对象的场景，例如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

UML类图

1 角色介绍

• Client : 高层客户端
• Singleton : 单例类

模式的简单实现

1 介绍

单例模式是设计模式中最简单的，只有一个单例类，没有其他的层次结构与抽象。该模式需要确保该类只能生成一个对象，通常是该类需要消耗太多的资源或者没有没有多个实例的理由。例如一个公司只有一个CEO、一台电脑通常只有一个显示器等。下面我们以公司里的CEO为例来简单演示一下，一个公司可以有几个VP，无数个员工，但是CEO只有一个，请看下面示例。

2 实现源码

package com.dp.example.singleton;/** * 人的基类 * @author mrsimple * */public abstract class Person {    public abstract void talk() ;}// 普通员工public class Staff extends Person {    @Override    public void talk() {    }}// 副总裁public class VP extends Person {    @Override    public void talk() {    }}// CEO， 单例模式public class CEO extends Person {    private static final CEO mCeo = new CEO();    private CEO() {    }    public static CEO getCeo() {        return mCeo;    }    @Override    public void talk() {        System.out.println("CEO发表讲话");    }}// 公司类import java.util.ArrayList;import java.util.List;public class Company {    private List<Person> allPersons = new ArrayList<Person>();    public void addStaff(Person per) {        allPersons.add(per);    }    public void showAllStaffs() {        for (Person per : allPersons) {            System.out.println("Obj : " + per.toString());        }    }}// testpublic class Test {    public static void main(String[] args) {        Company cp = new Company() ;        Person ceo1 = CEO.getCeo() ;        Person ceo2 = CEO.getCeo() ;        cp.addStaff(ceo1);        cp.addStaff(ceo2);        Person vp1 = new VP() ;        Person vp2 = new VP() ;        Person staff1 = new Staff() ;        Person staff2 = new Staff() ;        Person staff3 = new Staff() ;        cp.addStaff(vp1);        cp.addStaff(vp2);        cp.addStaff(staff1);        cp.addStaff(staff2);        cp.addStaff(staff3);        cp.showAllStaffs();    }}

CEO两次输出的CEO对象的文字描述都是一样的，而VP、Staff类的对象都是不同的。即CEO是唯一实例，而其他类型都是不同的实例。这个实现的核心在于将CEO类的构造方法私有化，使得外部程序不能通过构造函数来构造CEO对象，而CEO类通过一个静态方法返回一个唯一的对象

3 其他实现

package com.dp.example.singleton;public class Singleton {    private static Singleton mInstance = null;    private Singleton() {    }    public void doSomething() {        System.out.println("do sth.");    }    /**     * 方式二、double-check， 避免并发时创建了多个实例, 该方式不能完全避免并发带来的破坏.     *      * @return     */    public static Singleton getInstance() {        if (mInstance == null) {            synchronized (Singleton.class) {                if (mInstance == null) {                    mInstance = new Singleton();                }            }        }        return mInstance;    }    /**     * 方式三 : 在第一次加载SingletonHolder时初始化一次mOnlyInstance对象, 保证唯一性, 也延迟了单例的实例化,     * 如果该单例比较耗资源可以使用这种模式.     *      * @return     */    public static Singleton getInstanceFromHolder() {        return SingletonHolder.mOnlyInstance;    }    /**     * 静态内部类     *      * @author mrsimple     *     */    private static class SingletonHolder {        private static final Singleton mOnlyInstance = new Singleton();    }    /**     *  方式四 : 枚举单例, 线程安全     * @author mrsimple     *     */    enum SingletonEnum {        INSTANCE;        public void doSomething() {            System.out.println("do sth.");        }    }    /**     * 方式五 : 注册到容器, 根据key获取对象.一般都会有多种相同属性类型的对象会注册到一个map中     * instance容器     */    private static Map<string singleton=""> objMap = new HashMap<string singleton="">();    /**     * 注册对象到map中     * @param key     * @param instance     */    public static void registerService(String key, Singleton instance) {        if (!objMap.containsKey(key) ) {            objMap.put(key, instance) ;        }    }    /**     * 根据key获取对象     * @param key     * @return     */    public static Singleton getService(String key) {        return objMap.get(key) ;    }}

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Android 源码中的模式实现

在Android系统中，我们经常会通过Context获取系统级别的服务，比如WindowsManagerService, ActivityManagerService等，更常用的是一个叫LayoutInflater的类。这些服务会在合适的时候以单例的形式注册在系统中，在我们需要的时候就通过Context的getSystemService(String name)获取。我们以LayoutInflater为例来说明, 平时我们使用LayoutInflater较为常见的地方是在ListView的getView方法中

@Overridepublic View getView(int position, View convertView, ViewGroup parent)       View itemView = null;    if (convertView == null) {        itemView = LayoutInflater.from(mContext).inflate(mLayoutId, null);        // 其他代码    } else {        itemView = convertView;    }    // 获取Holder    // 初始化每项的数据    return itemView;}

通常我们使用LayoutInflater.from(Context)来获取LayoutInflater服务, 下面我们看看LayoutInflater.from(Context)的实现。

/**     * Obtains the LayoutInflater from the given context.     */    public static LayoutInflater from(Context context) {        LayoutInflater LayoutInflater =                (LayoutInflater) context.getSystemService(Context.LAYOUT_INFLATER_SERVICE);        if (LayoutInflater == null) {            throw new AssertionError("LayoutInflater not found.");        }        return LayoutInflater;    }

可以看到from(Context)函数内部调用的是Context类的getSystemService(String key)方法，我们跟踪到Context类看到, 该类是抽象类。

public abstract class Context {    // 省略}

使用的getView中使用的Context对象的具体实现类是什么呢 ？其实在Application，Activity, Service,中都会存在一个Context对象，即Context的总个数为Activity个数 + Service个数 + 1。而ListView通常都是显示在Activity中，那么我们就以Activity中的Context来分析

我们知道，一个Activity的入口是ActivityThread的main函数。在该main函数中创建一个新的ActivityThread对象，并且启动消息循环(UI线程)，创建新的Activity、新的Context对象，然后将该Context对象传递给Activity。下面我们看看ActivityThread源码。

public static void main(String[] args) {        SamplingProfilerIntegration.start();        // CloseGuard defaults to true and can be quite spammy.  We        // disable it here, but selectively enable it later (via        // StrictMode) on debug builds, but using DropBox, not logs.        CloseGuard.setEnabled(false);        Environment.initForCurrentUser();        // Set the reporter for event logging in libcore        EventLogger.setReporter(new EventLoggingReporter());        Process.setArgV0("<pre-initialized>");        // 主线程消息循环        Looper.prepareMainLooper();        // 创建ActivityThread对象        ActivityThread thread = new ActivityThread();        thread.attach(false);        if (sMainThreadHandler == null) {            sMainThreadHandler = thread.getHandler();        }        AsyncTask.init();        if (false) {            Looper.myLooper().setMessageLogging(new                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));        }        Looper.loop();        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");    }    private void attach(boolean system) {        sThreadLocal.set(this);        mSystemThread = system;        if (!system) {            ViewRootImpl.addFirstDrawHandler(new Runnable() {                public void run() {                    ensureJitEnabled();                }            });            android.ddm.DdmHandleAppName.setAppName("<pre-initialized>",                                                    UserHandle.myUserId());            RuntimeInit.setApplicationObject(mAppThread.asBinder());            IActivityManager mgr = ActivityManagerNative.getDefault();            try {                mgr.attachApplication(mAppThread);            } catch (RemoteException ex) {                // Ignore            }        } else {               // 省略        }}

在main方法中，我们创建一个ActivityThread对象后，调用了其attach函数，并且参数为false. 在attach函数中， 参数为false的情况下， 会通过Binder机制与ActivityManagerService通信，并且最终调用handleLaunchActivity函数 ( 具体分析请参考老罗的博客 :Activity的启动流程)，我们看看该函数的实现 。

private void handleLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {        // 代码省略        Activity a = performLaunchActivity(r, customIntent);        // 代码省略    }     private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {        // System.out.println("##### [" + System.currentTimeMillis() + "] ActivityThread.performLaunchActivity(" + r + ")");        // 代码省略        Activity activity = null;        try {            java.lang.ClassLoader cl = r.packageInfo.getClassLoader();            activity = mInstrumentation.newActivity(         // 1 : 创建Activity                    cl, component.getClassName(), r.intent);         // 代码省略        } catch (Exception e) {         // 省略        }        try {            Application app = r.packageInfo.makeApplication(false, mInstrumentation);            if (activity != null) {                Context appContext = createBaseContextForActivity(r, activity); // 2 : 获取Context对象                CharSequence title = r.activityInfo.loadLabel(appContext.getPackageManager());                Configuration config = new Configuration(mCompatConfiguration);                // 3: 将appContext等对象attach到activity中                activity.attach(appContext, this, getInstrumentation(), r.token,                        r.ident, app, r.intent, r.activityInfo, title, r.parent,                        r.embeddedID, r.lastNonConfigurationInstances, config);                // 代码省略                // 4 ： 调用Activity的onCreate方法                mInstrumentation.callActivityOnCreate(activity, r.state);                // 代码省略        } catch (SuperNotCalledException e) {            throw e;        } catch (Exception e) {            // 代码省略        }        return activity;    }    private Context createBaseContextForActivity(ActivityClientRecord r,            final Activity activity) {        // 5 ： 创建Context对象, 可以看到实现类是ContextImpl        ContextImpl appContext = new ContextImpl();           appContext.init(r.packageInfo, r.token, this);        appContext.setOuterContext(activity);        // 代码省略        return baseContext;    }

通过上面1~5的代码分析可以知道， Context的实现类为ComtextImpl类。我们继续跟踪到ContextImpl类

class ContextImpl extends Context {    // 代码省略    /**     * Override this class when the system service constructor needs a     * ContextImpl.  Else, use StaticServiceFetcher below.     */     static class ServiceFetcher {        int mContextCacheIndex = -1;        /**         * Main entrypoint; only override if you don't need caching.         */        public Object getService(ContextImpl ctx) {            ArrayList<Object> cache = ctx.mServiceCache;            Object service;            synchronized (cache) {                if (cache.size() == 0) {                    for (int i = 0; i < sNextPerContextServiceCacheIndex; i++) {                        cache.add(null);                    }                } else {                    service = cache.get(mContextCacheIndex);                    if (service != null) {                        return service;                    }                }                service = createService(ctx);                cache.set(mContextCacheIndex, service);                return service;            }        }        /**         * Override this to create a new per-Context instance of the         * service.  getService() will handle locking and caching.         */        public Object createService(ContextImpl ctx) {            throw new RuntimeException("Not implemented");        }    }    // 1 : service容器    private static final HashMap<String, ServiceFetcher> SYSTEM_SERVICE_MAP =            new HashMap<String, ServiceFetcher>();    private static int sNextPerContextServiceCacheIndex = 0;    // 2: 注册服务器    private static void registerService(String serviceName, ServiceFetcher fetcher) {        if (!(fetcher instanceof StaticServiceFetcher)) {            fetcher.mContextCacheIndex = sNextPerContextServiceCacheIndex++;        }        SYSTEM_SERVICE_MAP.put(serviceName, fetcher);    }    // 3: 静态语句块, 第一次加载该类时执行 ( 只执行一次, 保证实例的唯一性. )    static {        //  代码省略        // 注册Activity Servicer        registerService(ACTIVITY_SERVICE, new ServiceFetcher() {                public Object createService(ContextImpl ctx) {                    return new ActivityManager(ctx.getOuterContext(), ctx.mMainThread.getHandler());                }});        // 注册LayoutInflater service        registerService(LAYOUT_INFLATER_SERVICE, new ServiceFetcher() {                public Object createService(ContextImpl ctx) {                    return PolicyManager.makeNewLayoutInflater(ctx.getOuterContext());                }});        // 代码省略    }    // 4: 根据key获取对应的服务,     @Override    public Object getSystemService(String name) {        // 根据name来获取服务        ServiceFetcher fetcher = SYSTEM_SERVICE_MAP.get(name);        return fetcher == null ? null : fetcher.getService(this);    }    // 代码省略}

从ContextImpl类的部分代码中可以看到，在虚拟机第一次加载该类时会注册各种服务，其中就包含了LayoutInflater Service, 将这些服务以键值对的形式存储在一个HashMap中，用户使用时只需要根据key来获取到对应的服务，从而达到单例的效果。这种模式就是上文中提到的“单例模式的实现方式5”。系统核心服务以单例形式存在，减少了资源消耗。

杂谈

1 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；
• 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。

2 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