单例模式

单例模式概述：为了节约系统资源，有时需要确保系统中某个类只有唯一一个实例，当这个唯一实例创建成功之后，我们无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。

单例模式有三个要点：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

 

下面我们来模拟实现Windows任务管理器，假设任务管理器的类名为TaskManager，在TaskManager类中包含了大量的成员方法，例如构造函数TaskManager()，显示进程的方法displayProcesses()，显示服务的方法displayServices()等，该类的示意代码如下：

class TaskManager  
{  
     public TaskManager() {……} //初始化窗口  
     public void displayProcesses()  {……} //显示进程  
     public void  displayServices() {……} //显示服务  
     ……  
}

实现Windows任务管理器的唯一性：

class TaskManager  
{  
     private static TaskManager tm = null;  
     private TaskManager() {……} //初始化窗口  
     public void  displayProcesses() {……} //显示进程  
     public void  displayServices() {……} //显示服务  
     public static TaskManager getInstance()  
     {  
        if (tm == null)  
        {  
            tm = new TaskManager();  
        }  
        return tm;  
    }  
   ……  
}

note：

1.getInstance()方法的修饰符，首先它应该是一个public方法，以便供外界其他对象使用，其次它使用了static关键字，即它是一个静态方法，在类外可以直接通过类名来访问，而无须创建TaskManager对象，事实上在类外也无法创建TaskManager对象，因为构造函数是私有的。

 

 

3.3 负载均衡器的设计与实现

问题描述：由于集群中的服务器需要动态删减，且客户端请求需要统一分发，因此需要确保负载均衡器的唯一性，只能有一个负载均衡器来负责服务器的管理和请求的分发，否则将会带来服务器状态的不一致以及请求分配冲突等问题。

开发人员通过分析和权衡，决定使用单例模式来设计该负载均衡器，结构图如图3-3所示：

 

 

 将负载均衡器LoadBalancer设计为单例类，其中包含一个存储服务器信息的集合serverList，每次在serverList中随机选择一台服务器来响应客户端的请求，实现代码如下所示：

import java.util.*;  

//负载均衡器LoadBalancer：单例类，真实环境下该类将非常复杂，包括大量初始化的工作和业务方法，考虑到代码的可读性和易理解性，只列出部分与模式相关的核心代码  
class LoadBalancer {  
    //私有静态成员变量，存储唯一实例  
    private static LoadBalancer instance = null;  
    //服务器集合  
    private List serverList = null;  

    //私有构造函数  
    private LoadBalancer() {  
        serverList = new ArrayList();  
    }  

    //公有静态成员方法，返回唯一实例  
    public static LoadBalancer getLoadBalancer() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new LoadBalancer();  
        }  
        return instance;  
    }  

    //增加服务器  
    public void addServer(String server) {  
        serverList.add(server);  
    }  

    //删除服务器  
    public void removeServer(String server) {  
        serverList.remove(server);  
    }  

    //使用Random类随机获取服务器  
    public String getServer() {  
        Random random = new Random();  
        int i = random.nextInt(serverList.size());  
        return (String)serverList.get(i);  
    }  
}

编写如下客户端测试代码：

 

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        //创建四个LoadBalancer对象  
        LoadBalancer balancer1,balancer2,balancer3,balancer4;  
        balancer1 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer2 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer3 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer4 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  

        //判断服务器负载均衡器是否相同  
        if (balancer1 == balancer2 && balancer2 == balancer3 && balancer3 == balancer4) {  
            System.out.println("服务器负载均衡器具有唯一性！");  
        }  

        //增加服务器  
        balancer1.addServer("Server 1");  
        balancer1.addServer("Server 2");  
        balancer1.addServer("Server 3");  
        balancer1.addServer("Server 4");  

        //模拟客户端请求的分发  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            String server = balancer1.getServer();  
            System.out.println("分发请求至服务器： " + server);  
      }  
    }  
}

编译并运行程序，输出结果如下：

分发请求至服务器：  Server 1
分发请求至服务器：  Server 3
分发请求至服务器：  Server 4
分发请求至服务器：  Server 2
分发请求至服务器：  Server 3
分发请求至服务器：  Server 2
分发请求至服务器：  Server 3
分发请求至服务器：  Server 4
分发请求至服务器：  Server 4
分发请求至服务器：  Server 1

3.4 饿汉式单例与懒汉式单例的讨论

单例类的两种不同实现方式，饿汉式单例类和懒汉式单例类。

1.饿汉式单例类

 

由于在定义静态变量的时候实例化单例类，因此在类加载的时候就已经创建了单例对象，代码如下所示：

class EagerSingleton {   
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();   
    private EagerSingleton() { }   

    public static EagerSingleton getInstance() {  
        return instance;   
    }     
}

当类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建。如果使用饿汉式单例来实现负载均衡器LoadBalancer类的设计，则不会出现创建多个单例对象的情况，可确保单例对象的唯一性。

2.懒汉式单例类与线程锁定

 

 懒汉式单例在第一次调用getInstance()方法时实例化，在类加载时并不自行实例化，这种技术又称为延迟加载(Lazy Load)技术，即需要的时候再加载实例，为了避免多个线程同时调用getInstance()方法，我们可以使用关键字synchronized，代码如下所示：

class LazySingleton {   
    private static LazySingleton instance = null;   

    private LazySingleton() { }   

    synchronized public static LazySingleton getInstance() {   
        if (instance == null) {  
            instance = new LazySingleton();   
        }  
        return instance;   
    }  
}

性能的改进：无须对整个getInstance()方法进行锁定，只需对其中的代码“instance = new LazySingleton();”进行锁定即可。代码如下：

public static LazySingleton getInstance() {   
    if (instance == null) {  
        synchronized (LazySingleton.class) {  
            instance = new LazySingleton();   
        }  
    }  
    return instance;   
}

如果使用以上代码来实现单例，还是会存在单例对象不唯一。原因如下：

假如在某一瞬间线程A和线程B都在调用getInstance()方法，此时instance对象为null值，均能通过instance == null的判断。由于实现了synchronized加锁机制，线程A进入synchronized锁定的代码中执行实例创建代码，线程B处于排队等待状态，必须等待线程A执行完毕后才可以进入synchronized锁定代码。但当A执行完毕时，线程B并不知道实例已经创建，将继续创建新的实例，导致产生多个单例对象，违背单例模式的设计思想

因此需要进行进一步改进，在synchronized中再进行一次(instance == null)判断，这种方式称为双重检查锁定(Double-Check Locking)。使用双重检查锁定实现的懒汉式单例类完整代码如下所示：

class LazySingleton {   
    private volatile static LazySingleton instance = null;   

    private LazySingleton() { }   

    public static LazySingleton getInstance() {   
        //第一重判断  
        if (instance == null) {  
            //锁定代码块  
            synchronized (LazySingleton.class) {  
                //第二重判断  
                if (instance == null) {  
                    instance = new LazySingleton(); //创建单例实例  
                }  
            }  
        }  
        return instance;   
    }  
}

3.饿汉式单例类与懒汉式单例类比较

 饿汉式单例类在类被加载时就将自己实例化

懒汉式单例类在第一次使用时创建，无须一直占用系统资源，实现了延迟加载

3.5 一种更好的单例实现方法

 饿汉式单例类不能实现延迟加载，不管将来用不用始终占据内存；懒汉式单例类线程安全控制烦琐，而且性能受影响。可见，无论是饿汉式单例还是懒汉式单例都存在这样那样的问题，有没有一种方法，能够将两种单例的缺点都克服，而将两者的优点合二为一呢？答案是：Yes！下面我们来学习这种更好的被称之为Initialization Demand Holder (IoDH)的技术。

在IoDH中，我们在单例类中增加一个私有静态(static)内部类，在该内部类中创建单例对象，再将该单例对象通过getInstance()方法返回给外部使用，实现代码如下所示：

//Initialization on Demand Holder  
class Singleton {  
    private Singleton() {  
    }  

    private static class HolderClass {  
            private final static Singleton instance = new Singleton();  
    }  

    public static Singleton getInstance() {  
        return HolderClass.instance;  
    }  

    public static void main(String args[]) {  
        Singleton s1, s2;   
            s1 = Singleton.getInstance();  
        s2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(s1==s2);  
    }  
}

缺点：需要jvm支持，在该内部类中定义了一个static类型的变量instance，此时会首先初始化这个成员变量，由Java虚拟机来保证其线程安全性，确保该成员变量只能初始化一次。