单例模式

原创
2013/09/06 16:07
阅读数 139

我是皇帝我独苗

自从秦始皇确立了皇帝这个位置后,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,而不用在皇帝面前加上特定的称呼,如李皇帝、张皇帝。这一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,该如何实现?对象的产生通过new关键字完成的(当然也有其他方式,比如对象拷贝、反射等),这个怎么控制。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?

臣子叩拜皇帝类图

只有两个类,Emperor代表皇帝,Minister代表臣子,关联到皇帝类非常简单。

代码清单1:Emperor.java (皇帝类)

/**
 * 皇帝类
 *
 * @author Barudisshu
 */
public class Emperor {

    private static final Emperor emperor = new Emperor();

    /**
     * 皇帝只有一个
     */
    private Emperor() {
    }

    public static Emperor getInstance() {
        return emperor;
    }

    /**
     * 皇帝发话了
     */
    public void say() {
        System.out.println("我就是皇帝XXX...");
    }
}

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。

代码清单2:Minister.java (臣子类)

/**
 * 臣子类
 *
 * @author Barudisshu
 */
public class Minister {

    public static void main(String[] args) {
        for (int day = 0; day < 3; day++) {
            Emperor emperor = Emperor.getInstance();
            emperor.say();
        }
    }
}

臣子参拜皇帝的运行结果如下:

捕获

 

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 of 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。)

单例模式通用类图如下:

单例模式

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()。)单例模式通用源代码。

代码清单3:Singleton.java (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() {
    }

    /**
     * 通过方法获取对象实例
     */
    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }

    /**
     * 类中其他方法,尽量是static
     */
    public static void doSomething() {
    }
}

单例模式的应用

单例模式的优点

  1. 由于单例模式在内存中只有一个实例,减少了内存的开支,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。
  2. 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JavaEE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制)。
  3. 单例模式可以避免对资源的多重占用。
  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。

单例模式的缺点

  1. 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,需要在系统中根据环境判断。
  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,没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
  3. 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,是不是单例取决于环境,单例模式把“要实例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场合

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:

  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,并确保是安全的;
  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的方式)。

单例模式的主意事项

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模式,上面的例子不会出现产生多个实例的情况,但是如下代码所示的单例模式需要考虑线程同步。

代码清单4:Singleton.java

/**
 *
 * @author Barudisshu
 */
public class Singleton {

    private static Singleton singleton = null;

    /**
     * 限制产生多个对象
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 通过方法获取对象实例
     */
    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single = 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有很多,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,建议使用代码清单3中所示的方式。

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。

单例模式的扩展

如果一个类可以产生多个对象,对象的数量不受限制,则是非常容易实现的,直接使用new关键字就可以了,如果只要有一个对象,使用单例模式就可以了, 但是如果要求一个类只能产生三个对象,该怎样实现?我们还是以皇帝为例来说明。

一般情况下,一个朝代的同一个时代只要一个皇帝,那有没有出现两个皇帝的情况?确实,就出现在明朝,下面我们通过类图来构建。

多个皇帝类图

代码清单5:Emperor.java (固定数量的皇帝类)

import java.util.ArrayList;
import java.util.Random;

/**
 * 固定数量的皇帝类
 *
 * @author Barudisshu
 */
public class Emperor {

    //定义最多能产生的实例数量
    private static int maxNumOfEmperor = 2;
    //每个皇帝都有名字,使用一个ArrayList来容纳每个对象的私有属性
    private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<>();
    //定义一个列表,容纳所有皇帝制度
    private static ArrayList<Emperor> emperorList = new ArrayList<>();
    //当前皇帝序列号
    private static int countNumOfEmperor = 0;

    //产生所有对象
    static {
        for (int i = 0; i < maxNumOfEmperor; i++) {
            emperorList.add(new Emperor("皇帝" + i));
        }
    }

    private Emperor() {
        //世俗和道德约束你,目的就是不产生第二个皇帝
    }

    /**
     * 传入一个皇帝名称,建立一个皇帝对象
     */
    private Emperor(String name) {
        nameList.add(name);
    }

    /**
     * 随机获取一个皇帝对象
     */
    public static Emperor getInstance() {
        Random random = new Random();
        //随机拉出一个皇帝,只要是个精神领袖就成
        countNumOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor);
        return emperorList.get(countNumOfEmperor);
    }

    /**
     * 皇帝发话了
     */
    public static void say() {
        System.out.println(nameList.get(countNumOfEmperor));
    }
}

在Emperor中使用了两个ArrayList分别存储实例和实例变量。当然,如果考虑到线程安全问题可以使用Vector来代替。

代码清单6:Minister.java (臣子参拜皇帝的过程)

/**
 * 臣子类
 *
 * @author Barudisshu
 */
public class Minister {

    public static void main(String[] args) {
        //定义5个大臣
        int ministerNum = 5;
        for (int i = 0; i < ministerNum; i++) {
            Emperor emperor = Emperor.getInstance();
            System.out.print("第" + i + "个大臣参拜的是:");
            emperor.say();
        }
    }
}

大臣惨败皇帝的运行结果如下:

捕获

看,果然每个大臣参拜的皇帝都可能不一样。这种需要产生固定数量对象的模式就叫做有上限的多例模式,它是单例模式的一种扩展,采用有上限的多例模式,我们可以在设计时决定在内存中有多少个实例,方便系统进行扩展,修正单例可能存在的性能问题,提供系统的响应速度。

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