单例模式 (Singleton pattern)

What is Singleton pattern?

In Wikipedia, there is an explanation:"In software engineering, the singleton pattern is a design pattern that restricts the instantiation of a class to one object."

 

一、什么是单例模式？

在维基百科中，是这样解释的，“在软件工程中，单例模式指的是对类加以限制，只允许创建一个对象的设计模式”。

也就是说，在整个应用程序的生命周期中，任何一个时刻，单例类的实例都只存在一个（当然也可以不存在）。

单例模式是一种对象创建型设计模式，在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中提到，单例模式：“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”。

让类自身负责保存它的唯一实例，这个类可以保证没有其他实例被创建（通过截取创建新对象的请求）。

 

二、我们为什么要使用单例模式？

单例模式应该是设计模式中最简单的一种设计模式，它的应用场景如下：

在工作过程中，有些对象我们只需要一个，比如线程池、缓存、硬件设备等，

如果有多个实例同时使用，可能会造成执行冲突、结果不一致等问题。

比如我们创建了多个打印程序实例，或打印机对象，但实际的打印设备只有一台，或者打印假脱机只有一个，程序执行时，就可能会造成打印结果的混乱并使程序失去可再现性。

再比如，在一个父容器中点击某个菜单项打开一个子窗口，如果不加以控制的话，每次单击菜单项都会打开一个新窗口。这不仅会浪费内存资源，在程序逻辑上也是不可以接受的。

那么我们该如何解决这个问题呢？这就要用到下面所要详细介绍的单例模式。

 

三、经典单例模式

1.经典单例模式的UML图如下：

 

2.代码实现如下：

public class Singleton {

    // 静态的instance对象，保证全局唯一性
    private static Singleton instance = null;

    // 私有的构造函数，防止外部用new关键字创建实例对象
    private Singleton() {

    }

    // 对外的公共静态实例方法，从类级别直接可以调用此方法
    public static Singleton getInstance() {

        // 通过判断instance是否为null，决定是否创建对象
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

 注意：通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，此时基本上所有的Java单例实现失效。

（事实上我们一般不需要这样做，所以单例模式仍有其存在的意义）

 

四、单例模式在多线程环境下存在的问题

对于上述代码，我们可以考虑这样一种情况：

当有两个Singleton类的实例同时被创建，并运行于不同的线程中。假如A线程在执行完上述代码第15行后意外阻塞，而B线程将继续运行，执行第16行后创建instance实例，此后如果A线程重新回到就绪状态，并得到处理器资源，进入运行状态，将再次创建instance对象，此时单例模式失效。为了解决这一问题，程序员们对单例模式进行了优化。

 

五、单例模式的分类

1.饿汉式单例

急切创建实例，在类初始化时，便自行实例化。

public class Singleton1 {

    //已经实例化
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();

    //私有的默认构造方法
    private Singleton1() {
    
    }
    
    //静态工厂方法
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

 

2.懒汉式单例

在第一次调用的时候再实例化。

public class Singleton2 {

    //注意，这里没有final
    private static Singleton2 single = null;
    
    //私有的默认构造子
    private Singleton2() {
    
    }
    
    //静态工厂方法，用synchronized加锁
    public synchronized static Singleton2 getInstance() {
         if (single == null) {
             single = new Singleton2();
         }
        return single;
    }
}

这种方式也存在一定的问题，同样考虑特殊情况，当A线程执行到getInstance内时意外出现阻塞，此时B线程中的实例也不能够执行getInstance操作，出现阻塞。

为了解决这一问题，对此方法可以做进一步优化：双重检查加锁法。

虽然此方法同样不完美，但相对于上面一种情形，已经做到了一定的优化。

public class Singleton3 {
    
    // 添加关键词volatile
    private volatile static Singleton3 single = null;
    
    //私有的默认构造器
    private Singleton3() {
        
    }
    
    public static Singleton3 getInstance() {
         if (single == null) {
             //同步锁
            synchronized (Singleton3.class) {
                if (single == null) {
                    single = new Singleton3();
                }
            }
        }
        return single;
    }
}

 

3.登记式单例

将类名注册，下次从里面直接获取。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Singleton4 {
    private static Map<String,Singleton4> map = new HashMap<String,Singleton4>();
    
    static{
        Singleton4 single = new Singleton4();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
    //保护的默认构造器
    protected Singleton4(){
    
    }
    
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
    public static Singleton4 getInstance(String name) {
        if(name == null) {
            name = Singleton3.class.getName();
        }
        if(map.get(name) == null) {
            try {
                map.put(name, (Singleton4) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return map.get(name);
    }
}

 

参考资料：

1.极客学院hexter老师的课程—— 设计模式之单例模式

2.《设计模式：可复用面向对象软件的基础》

  Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson著

3.博文：蛊惑Into—— Java单例模式详解

4.维基百科：Singleton Pattern

推荐阅读：

博文：赵学智@行胜于言——  设计模式培训之一：为什么要用单例模式？ 

博文：都市耕牛—— 登记式单例实现单例模式的继承（限定一个抽象类的所有子类都必须是单例）