单例模式

Posted 2021-02-03 mo-lu

 　　单例模式是一种常见的设计模式，其核心为“每个类只能有一个实例”。通过对类中对象实例化的控制，确保某些场景下状态的唯一性。在系统中的某些类只有一个实例非常重要，如打印任务、一个窗口管理器或文件系统等。

  背景

       在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。例如：系统中可以存在多个打印任务，但只能用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；一台计算机可以有若干传真卡，但是只应该有一个软件负责管理传真卡，以避免出现两份传真作业同时传到传真卡中的情况；一台计算机可以有若干通信端口，但是系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用等。因此，单例模式可以被广泛的应用的下述环境中：

• 要求生成唯一序列号的环境；
• 整个项目中需要一个共享访问点或共享数据。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，确保线程安全；
• 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，采用单例模式（或static声明）；

 

一、定义

      单例模式（Singleton Pattern）即某各类中只有一个实例，且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

二、特点

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

三、实现

举例：一个国家只能有一个皇帝（即单例类）；

3.1 单例模式通用

例1：
/* 单例模式通用代码*/

package simplePattern;

public class Singleton {
    //定义各一个单例类
    private static final Singleton singleton = new Singleton();
    //定义私有的构造函数，限制一个类只能产生一个对象
    private Singleton(){
        
    }
    public static Singleton getSingleton(){
        return singleton;
    }
    //类中其他方法能够其他类调用
    public static void doSomething(){
        
    }
}

然而，单例模式也存在一些缺点。如：

• 一般没有接口，扩展困难；
• 不利于测试。在并发环境中，如果单例模式没有完成，不能进行测试，没有接口也无法使用mock的方式虚拟一个对象。
• 单例模式与单一职责原则有冲突。单例模式中把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中

因此，针对具体情况可以对单例模式进行改进。

3.2 高并发下单例模式实现

例2：
public class Singleton_hignconcur {
    private static Singleton_hignconcur singleton= null;
    //定义私有的构造函数，限制一个类只能产生一个对象
    private Singleton_hignconcur(){
        
    }
    //方法
    public static Singleton_hignconcur getSingleton(){
        if(singleton==null){
            singleton=new Singleton_hignconcur();
        }
        return  singleton;
    }
}

　　然而，上述代码实现可能存在线程A执行到singleton = new Singleton()，线程B则依然执行到（singleton == null）判断时依然为真，此时，由于A尚未返回实例判断条件仍未null，此时可能出现2个对象，因此线程不安全。

　　解决上述线程不安全的方法一般有2种，（1）在getSingleton()方法前添加synchronized关键字，或在该方法内添加synchronized关键字，也可使用饿汉式单例（例1）或懒汉式单例模式（例2）；（2）考虑对象复制的情况。在JAVA中对象默认不能复制，若实现了Cloneable接口，并实现clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制不需要调用类的构造函数，因此，即使是私有的构造函数，对象仍可被复制。因此，尽量使单例类不实现Cloneable接口。

4. 单例模式扩展

 　　一个类需要多个对象时，直接使用new关键字即可，只能有一个对象时，使用单例模式，但对于要求某各类只能有n（n可为任一固定自然数）个对象时，如何实现？

public class Emperor {
    //定义最多能产生的对象数量
        private static int maxNum=3;
        //每个对象（皇帝）拥有的属性（姓名）,使用list存储
        private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();
        //定义一个列表，容纳所有的对象实例
        private static ArrayList<Emperor> emperorList= new ArrayList<Emperor>();
        //定义当前皇帝的序号
        private static int order=0;
        //产生所有对象
        static {
            for(int i=0;i<maxNum;i++){
                emperorList.add(new Emperor("皇帝"+(i+1)));
            }
        }
        private Emperor(){
            //存在约束条件（世俗和道德），使得不产生第二个皇帝
        }
        //传入皇帝名称，建立一个对象
        private Emperor(String name){
            nameList.add(name);
        }
        //随机获得一个皇帝实例
        public static Emperor getInstance(){
            Random ran=new Random();
            order= ran.nextInt(maxNum);
            return emperorList.get(order);
        }
        //方法
        public static void say(){
            System.out.println(nameList.get(order));
        }
}

public class Minister {
    public static void main(String[] args){
        //定义5个大臣
        int maxNum=5;
        for(int i=0;i<=maxNum;i++){
            Emperor emp=Emperor.getInstance();
            System.out.println("第"+(i+1)+"个臣子的是：");
            emp.say();
        }
    }
}

运行结果如下：

　　这种需要产生固定数量对象的模式称作有上限的多例模式，是单例模式的一种扩展。采用多例模式可以在设计时觉得在内存中有多少个实例，方便系统进行扩展，修正可能存在的性能问题，提供系统响应速度。

 

参考《大话设计模式》与《设计模式之禅》