java设计模式之 单例（Singleton）模式

Posted 2020-10-01 lytwajue

1. 单例模式的定义

        单例模式（Singleton Pattern）是一个比較简单的模式。其原始定义例如以下：Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保仅仅有一个实例，并且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类例如以下图所看到的：

        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仅仅产生一个实例。而且是自行实例化的（在Singleton中自己new Singleton()）。单例模式的通用代码例如以下（这样的也称为饿汉式单例）：

/****************** 单例模式：程序清单1 ***************************/
public class Singleton {
	private static Singleton instance = new Singleton(); //1.自己内部new一个
	
	private Singleton() { //2.私有构造函数，防止被实例化
		
	}
	//3.提供一个公共接口。用来返回刚刚new出来的对象
 	public static Singleton getInstance() { 
		 return instance;
	}
	
	public void test() {
		System.out.println("singleton");
	}
}
/********************************************************************/

2. 单例模式存在的线程安全问题

        上面是一个经典的单例模式程序。且这个程序不会产生线程同步问题。由于类第一次载入的时候就初始化了instance。可是单例模式还有其它的实现方式，就有可能会出现线程同步问题。请看以下的样例：

/*
 * 这样的方式就是非线程安全了（懒汉式单例）
 */
public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private Singleton() {
		
	}
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
 		return instance;
	}
}

        为什么会出现线程安全问题呢？假如一个线程A运行到instance = new Singleton()。但还没有获得对象（对象的初始化是须要时间的），第二个线程B也在运行。运行到推断instance == null时。那么线程B获得的条件也是真，于是也进入实例化instance了，然后线程A获得了一个对象，线程B也获得了一个对象，在内存中就存在了两个对象了！

        解决线程安全问题的方法有非常多，比方我们能够在getInstance()方法前面加上synchronizedkeyword来解决，例如以下：

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

        可是synchronizedkeyword锁住的是这个对象，这种使用方法在性能上会有所下降，由于每次调用getInstance()时都要对对象上锁。其实。仅仅要在第一次创建对象的时候加锁，后面创建完了就不须要了。所以我们能够做进一步的改进。例如以下：

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

        我们将synchronizedkeyword加到内部，也就是说当调用的时候是不须要加锁的，仅仅有在instance == null的时候且创建对象的时候再加锁，这样要比上面的那种方式好。可是这种方式还是有可能会产生线程安全问题，由于JVM中创建对象和赋值操作是分开进行的，即instance = new Singleton()这句是分两步进行的。过程是这种：JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存。并赋值给instance成员，可是此时JVM并没有開始初始化这个实例。然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了。比方A线程进入synchronized代码块了，运行完了instance = new Singleton()后退出代码块。可是此时还没有真正初始化，这是线程B进来了，发现instance不为null。于是就立刻返回该instance（事实上是没有初始化好的），然后B就開始使用该instance，却发现没初始化，于是就出问题了。

        所以要解决这样的“懒汉式”单例的线程问题，一种建议使用上面的程序清单1的方式，即使用”饿汉式“单例。还有一种，在实际中，也可以用内部类来维护单例的实现。JVM内部的机制可以保证当一个类被载入的时候。这个类的载入过程是线程相互排斥的。

这样。当我们第一次调用getInstance()方法的时候。JVM可以帮我们保证instance实例仅仅被创建一次，而且会保证把赋值给instance的内存初始化完成。见例如以下代码：

/****************** 单例模式：程序清单2 ****************************/
public class Singleton {	
    private Singleton() {  //私有构造方法，防止被实例化
    }  
  
    /*使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
  
    public static Singleton getInstance() {  //获取实例
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 假设该对象被用于序列化。能够保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }   
}
/********************************************************************/

3.单例模式的克隆

        上面分析了单例模式的线程安全问题，还有个问题就是须要考虑单例模式中对象的复制问题。

在java中。对象默认是不能够被复制的，可是若实现了Cloneable接口。并实现了clone方法，则能够直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制不是调用类的构造方法，所以即使是私有的构造方法，对象仍然是能够被复制的。

可是在普通情况下，单例类非常少会主动要求被复制的，所以解决该问题最好的方法就是单例类不要实现Cloneable接口就可以。

4. 单例模式的扩展

        假设一个类能够产生多个对象且数量不受限制，是很easy的，直接new就是了。

可是假设使用单例模式，可是要求一个类真能产生两三个对象呢？这样的情况该怎样实现？针对这样的情况，我们就须要在单例类中维护一个变量，用来表示实例的个数。并且还须要一些容器来保存不同的实例以及实例相应的属性，例如以下：

/*************************** 单例模式的扩展：程序清单3 ************************************/
public class Singleton {
	//定义最多能产生的实例数量
	private static int maxNumOfInstance = 3;
	
	//存储每一个实例的名字
	private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();
	
	//存储每一个实例对象
	private static ArrayList<Singleton> instanceList = new ArrayList<Singleton>();
	
	//当前实例的索引
	private static int indexOfInstance = 0;
	
	//静态代码块，在类载入的时候初始化2个实例
	static {
		for(int i = 0; i < maxNumOfInstance; i++) {
			instanceList.add(new Singleton("instance" + (i+1)));
		}
	}
	
	private Singleton() {
		
	}
	private Singleton(String name) { //带參数的私有构造函数
		nameList.add(name);
	}
	
	//返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		Random random = new Random();
		//随机挑选一个实例
		indexOfInstance = random.nextInt(maxNumOfInstance);
		return instanceList.get(indexOfInstance);
	}
	public void test() {
		System.out.println(nameList.get(indexOfInstance));
	}
}
/******************************************************************************************/ 

    我们写一个測试程序看看结果就知道了：

public class SingletonTest {

	public static void main(String[] args) {
		int num = 5;
		for(int i = 0; i < num; i++) {
			Singleton instance = Singleton.getInstance();
			instance.test();
		}
	}
}

    这样我们就实现了用单例模式产生固定数量的实例。測试结果输出例如以下：

instance1
instance1
instance2
instance3
instance3

5. 单例模式的优缺点

      长处：

        1.在内存中仅仅存在一个实例。全部减小诶村的开支。特别是一个对象须要频繁的创建和销毁时，并且创建或销毁时性能又无法优化。单例模式的优势就很明显。

        2.减小了系统的性能开销。当一个对象的产生须要比較多的资源时，如读取配置、产生依赖对象时，则能够通过在应用启动时直接产生一个单例对象。然后用永久驻留在内存中。

        3.能够避免对资源的多重占用，如写文件动作。因为仅仅有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同一时候写操作。

        4.单例模式能够在系统设置全局的訪问点。优化和共享资源訪问，比如能够设计一个单例类，负责全部数据表的映射处理。

      缺点：

        1.单例模式没有接口。扩展非常难。若要扩展，除了改动代码基本上没有另外一种途径能够实现

       2.单例模式对測试是不利的，在并行开发环境中，假设单例模式没有完毕，是不能进行測试的。

6. 单例模式的应用场景

      在一个系统中，要求一个类仅有一个对象时，能够採用单例模式：

        1. 要求生成唯一序列号的环境。

        2. 在整个项目中须要一个共享訪问点或共享数据，比如一个web页面上的訪问量，能够不用每次刷新都把记录存到数据库。可是要确保单例线程安全。

        3. 创建一个对象须要消耗的资源过多。如要訪问IO和数据库等资源。

        4. 须要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境。能够採用单例模式。当然也能够直接声明为static方式。

        Spring中也用到了单例模式，每一个Bean默认就是单例的，这样做的有点事Spring容器能够管理这些Bean的生命期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候要怎样处理等等。

假设採用非单例模式（Prototype类型），则Bean初始化后的管理交给J2EE容器了，Spring容器就不在跟踪管理Bean的生命周期了。

        单例模式就讨论这么多吧，如有错误之处，欢迎留言指正~

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