java设计模式之 单例（Singleton）模式

Posted 2020-08-06 山河永慕

1. 单例模式的定义

        单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其原始定义如下：Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类如下图所示：

        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new Singleton()）。单例模式的通用代码如下（这种也称为饿汉式单例）：

/****************** 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，因为类第一次加载的时候就初始化了instance。但是单例模式还有其他的实现方式，就有可能会出现线程同步问题，请看下面的例子：

/* 
 * 这种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执行到instance = new Singleton()，但还没有获得对象（对象的初始化是需要时间的），第二个线程B也在执行，执行到判断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很多，比如我们可以在getInstance()方法前面加上synchronized关键字来解决，如下：

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

但是synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()时都要对对象上锁。事实上，只要在第一次创建对象的时候加锁，后面创建完了就不需要了，所以我们可以做进一步的改进，如下：

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

我们将synchronized关键字加到内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在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。但是这种方式还是有可能会产生线程安全问题，因为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。过程是这样的：JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存，并赋值给instance成员，但是此时JVM并没有开始初始化这个实例，然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了，比如A线程进入synchronized代码块了，执行完了instance = new Singleton()后退出代码块，但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，于是就立马返回该instance（其实是没有初始化好的），然后B就开始使用该instance，却发现没初始化，于是就出问题了。

 

        所以要解决这种“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。另一种，在实际中，也可以用内部类来维护单例的实现。JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样，当我们第一次调用getInstance()方法的时候，JVM能够帮我们保证instance实例只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，见如下代码：

/****************** 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;    
    }    
    
    /* 如果该对象被用于序列化，可以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，还有个问题就是需要考虑单例模式中对象的复制问题。在Java中，对象默认是不可以被复制的，但是若实现了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，对象仍然是可以被复制的。但是在一般情况下，单例类很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接口即可。

4. 单例模式的扩展

        如果一个类可以产生多个对象且数量不受限制，是非常容易的，直接new就是了。但是如果使用单例模式，但是要求一个类真能产生两三个对象呢？这种情况该如何实现？针对这种情况，我们就需要在单例类中维护一个变量，用来表示实例的个数，而且还需要一些容器来保存不同的实例以及实例对应的属性，如下：

/*************************** 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;  
      
    //存储每个实例的名字  
    private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();  
      
    //存储每个实例对象  
    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，在类加载的时候初始化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) { //带参数的私有构造函数  
        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));  
    }  
}  
/******************************************************************************************/   

 我们写一个测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。测试结果输出如下：

instance1  
instance1  
instance2  
instance3  
instance3  

5. 单例模式的优缺点

      优点：

        1.在内存中只存在一个实例，所有减小诶村的开支，特别是一个对象需要频繁的创建和销毁时，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；

        2.减小了系统的性能开销，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，然后用永久驻留在内存中。

        3.可以避免对资源的多重占用，如写文件动作，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。

        4.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。

      缺点：

        1.单例模式没有接口，扩展很难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现

       2.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。

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，可以采用单例模式：

        1. 要求生成唯一序列号的环境。

        2. 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个web页面上的访问量，可以不用每次刷新都把记录存到数据库，但是要确保单例线程安全。

        3. 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。

        4. 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方式。

        spring中也用到了单例模式，每个Bean默认就是单例的，这样做的有点事Spring容器可以管理这些Bean的生命期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候要如何处理等等。如果采用非单例模式（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。