设计模式-单例模式

前言

对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID（序号）生成器。

定义

单例模式(Singleton Pattern):单例模式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，这个类成为单例类，它提供全局访问的方法。

单例模式的要点有三个：一是某个类只能有一个实例；而是他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。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

分析

以C++实现为例，单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类。单例类包含一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：

• 单例类的构造函数为私有
• 提供一个自身的静态私有成员变量
• 提供一个公有的静态工厂方法

使用时机

在以下情况下可以使用单例模式：

• 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象
• 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例
• 在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来，如果一个类可以有几个实例共存，就需要对单例模式进行改进，使之成为多例模式。

实现

C++实现

/*
* 使用了C++0x禁止复制以及构造的特性
*/
#include <iostream>
 #include <cassert>

 class President {
     public:
         static President& GetInstance() {
             static President instance;
             return instance;
         }

         President(const President&) = delete;
         President& operator=(const President&) = delete;
     private:
         President() {}
 };

 int main() {
     President& president1 = President::GetInstance();
     President& president2 = President::GetInstance();
     assert(&president1 == &president2);
     std::cout << "president1:" << &president1 << std::endl;
     std::cout << "president2:" << &president2 << std::endl;
     return 0;
 }

Golang实现

package singleton

import (
	"fmt"
	"math/rand"
	"sync"
	"sync/atomic"
)

var (
	flag uint32
	ins  *Instance
	mx   sync.Mutex
	once sync.Once
)

type Instance struct {
	value string
}

func GetInstance() *Instance {
	if atomic.LoadUint32(&flag) == 0 {
		mx.Lock()
		defer mx.Unlock()
		atomic.StoreUint32(&flag, 1)
		ins = &Instance{value: fmt.Sprintf("haha%d", rand.Uint32())}
	}
	return ins
}

func GetInstanceOnce() *Instance {
	once.Do(func() {
		ins = &Instance{value: fmt.Sprintf("hehe%d", rand.Uint32())}
	})
	return ins
}

测试用例

package singleton

import (
	"fmt"
	"testing"
)

func TestGetInstance(t *testing.T) {
	for index := 0; index < 5; index++ {
		ins := GetInstance()
		fmt.Println(ins.value)
	}
}

func TestGetInstanceMultiG(t *testing.T) {
	for index := 0; index < 5; index++ {
		go func() {
			ins := GetInstanceOnce()
			fmt.Println(ins.value)
		}()
	}
}

输出结果

 go test -v .
=== RUN   TestGetInstance
haha2596996162
haha2596996162
haha2596996162
haha2596996162
haha2596996162
--- PASS: TestGetInstance (0.00s)
=== RUN   TestGetInstanceMultiG
--- PASS: TestGetInstanceMultiG (0.00s)
PASS
hehe4039455774
hehe4039455774
hehe4039455774
hehe4039455774
hehe4039455774
ok      design-patterns/singleton       0.315s

优缺点

优点

• 提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了他的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念
• 由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能
• 允许可变数目的实例，我们可以基于单例模式进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

缺点

• 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
• 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”，因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含了一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
• 滥用单例模式将带来一些负面问题，如为了节约资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；现在很多面向对象语言（如java、C#）的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。