设计模式之禅之单例模式
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第7章 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地坐在这个位置。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。皇帝每天要上朝接待臣子、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，比如对象复制、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私有访问权限不就可以禁止外部创建对象了吗？臣子叩拜唯一皇帝的过程类图如
图7-1所示。
只有两个类，Emperor代表皇帝类，Minister代表臣子类，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
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
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 单例模式的应用
7.3.1 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（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。
7.3.2 单例模式的缺点
● 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。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意义的，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。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。
● 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逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。
7.3.3 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”，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，可以不用把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和数据库等资源；
● 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）。
7.3.4 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，但是如代码清单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
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;
}
}
该单例模式在低并发的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，那么线程B获得判断条件也是为真，于是继续运行下去，线程A获得了一个对象，线程B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，建议读者使用如代码清单7-3所示的方式（有的书上把代码清单7-3中的单例称为饿汉式单例，在代码清单7-4中增加了synchronized的单例称为懒汉式单例）。其次，需要考虑对象的复制情况。在Java中，对象默认是不可以被复制的，若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制是不用调用类的构造函数，因此即使是私有的构造函数，对象仍然可以被复制。在一般情况下，类复制的情况不需要考虑，很少会出现一个单例类会主动要求被复制的情况，解决该问题的最好方法就是单例类不要实现Cloneable接口。
