單例模式

定義

單例模式是一個(gè)簡(jiǎn)單的模式，定義如下：
Ensure a class has only one instance ,and provide a global point of access to it.==（確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，而且自行實(shí)例化并向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例）==
下面是單例模式的通用類圖：

image

類圖代碼實(shí)現(xiàn)：

public class Singleton {
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    // 限制產(chǎn)生多個(gè)對(duì)象
    private  Singleton(){}

    // 通過(guò)該方法獲得實(shí)例對(duì)象
    public static Singleton getSingleton() {
        return singleton;
    }
    
    // 類中的其他方法，盡量是static
    public static void dosomething(){}
}

public class Client {

    public static void main(String args[]){
        // 不能直接通過(guò)新建一個(gè)對(duì)象的方式來(lái)創(chuàng)建類的實(shí)例，只可以通過(guò)類的自身的方式創(chuàng)建對(duì)象
        Singleton singleton = Singleton.getSingleton();
        System.out.println(singleton.hashCode());
    }
}

分析

上面的單例模式的通用代碼描述了單列模式的實(shí)現(xiàn)方式。Singleton稱為單列類，通過(guò)使用private的構(gòu)造函數(shù)確保了在一個(gè)應(yīng)用中只產(chǎn)生一個(gè)實(shí)例，并且是自實(shí)例化的。

單例模式的應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)

• 由于單例模式在內(nèi)存中只有一個(gè)實(shí)例，減少了內(nèi)存的開(kāi)支，特別是一個(gè)對(duì)象的頻繁的創(chuàng)建和銷毀時(shí)，而且創(chuàng)建或銷毀時(shí)性能無(wú)法優(yōu)化，單例模式的優(yōu)勢(shì)就特別明顯
• 由于單例模式只生成一個(gè)實(shí)例，減少了系統(tǒng)的性能開(kāi)銷，對(duì)一個(gè)對(duì)象的產(chǎn)生需要較多的資源時(shí)，如讀取配置、產(chǎn)生其他的依賴對(duì)象時(shí)，則可以通過(guò)在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)直接產(chǎn)生一個(gè)單例對(duì)象，然后用永駐內(nèi)存的方式來(lái)解決（在JAVAEE中采用單例模式時(shí)，需要注意JVM的內(nèi)存回收的機(jī)制）
• 單例模式可以避免對(duì)資源的多重占用，例如寫一個(gè)文件的動(dòng)作，由于只有一個(gè)實(shí)例在內(nèi)存中，避免對(duì)同一個(gè)資源的同時(shí)寫操作
• 單例模式可以設(shè)置全局的訪問(wèn)點(diǎn)，優(yōu)化和共享資源的訪問(wèn)

缺點(diǎn)

• 單例模式一般沒(méi)有接口，擴(kuò)展很困難，若要擴(kuò)展，除了修改代碼基本上沒(méi)有第二種途徑可以實(shí)現(xiàn)。單例模式為什么不能增加接口呢？因?yàn)榻涌趯?duì)單例模式是沒(méi)有任何意義的，它要求“自行實(shí)例化”，并且提供單一實(shí)例、接口或抽象類是不可能被實(shí)例化的。當(dāng)然，在特殊情況下，單例模式可以實(shí)現(xiàn)接口、被繼承等，需要在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中根據(jù)環(huán)境判斷。

• 單例模式對(duì)測(cè)試是不利的。在并行開(kāi)發(fā)環(huán)境中，如果單例模式?jīng)]有完成，是不能進(jìn)行測(cè)試的，沒(méi)有接口也不能使用mock的方式虛擬一個(gè)對(duì)象。

• 單例模式與單一職責(zé)原則有沖突。一個(gè)類應(yīng)該只實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯，而不關(guān)心它是否是單例的，是不是要單例取決于環(huán)境，單例模式把“要單例”和業(yè)務(wù)邏輯融合在一個(gè)類中。

單例模式的應(yīng)用場(chǎng)景

在一個(gè)系統(tǒng)中，要求一個(gè)類有且僅有一個(gè)對(duì)象，如果出現(xiàn)多個(gè)對(duì)象就會(huì)出現(xiàn)“不良反應(yīng)”，可以采用單例模式，具體的場(chǎng)景如下：

• 要求生成唯一序列號(hào)的環(huán)境；

• 在整個(gè)項(xiàng)目中需要一個(gè)共享訪問(wèn)點(diǎn)或共享數(shù)據(jù)，例如一個(gè)Web頁(yè)面上的計(jì)數(shù)器，可以不用把每次刷新都記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用單例模式保持計(jì)數(shù)器的值，并確保是線程安全的；

• 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象需要消耗的資源過(guò)多，如要訪問(wèn)IO和數(shù)據(jù)庫(kù)等資源；

• 需要定義大量的靜態(tài)常量和靜態(tài)方法（如工具類）的環(huán)境，可以采用單例模式（當(dāng)然，也可以直接聲明為static的方式）

單例模式的加載方式

懶漢模式

public class HungrySingleton {

    private static HungrySingleton singleton = null;

    private HungrySingleton(){}

    public synchronized static HungrySingleton getSingleton(){
        if(singleton == null){
            singleton = new HungrySingleton();
        }

        return singleton;
    }
}

該單例模式在低并發(fā)的情況下尚不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，若系統(tǒng)壓力增大，并發(fā)量增加時(shí)則可能在內(nèi)存中出現(xiàn)多個(gè)實(shí)例，破壞了最初的預(yù)期，舉例：如一個(gè)線程A執(zhí)行到singleton=new Singleton（），但還沒(méi)有獲得對(duì)象（對(duì)象初始化是需要時(shí)間的），第二個(gè)線程B也在執(zhí)行，執(zhí)行到（singleton==null）判斷，那么線程B獲得判斷條件也是為真，于是繼續(xù)運(yùn)行下去，線程A獲得了一個(gè)對(duì)象，線程B也獲得了一個(gè)對(duì)象，在內(nèi)存中就出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)象！
解決線程不安全的方法很有多，++可以在getSingleton方法前加synchronized關(guān)鍵字++，==也可以在getSingleton方法內(nèi)增加synchronized來(lái)實(shí)現(xiàn)==，但都不是最優(yōu)秀的單例模式，建議使用餓漢式單例，增加了synchronized的單例稱為懶漢式單例）。

餓漢模式

public class Singleton {
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    private  Singleton(){}

    public static Singleton getSingleton() {
        return singleton;
    }
}

總結(jié)

• 單例模式是中比較簡(jiǎn)單的模式，應(yīng)用也非常廣泛，如在Spring中，每個(gè)Bean默認(rèn)就是單例的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是Spring容器可以管理這些Bean的生命期，決定什么時(shí)候創(chuàng)建出來(lái)，什么時(shí)候銷毀，銷毀的時(shí)候要如何處理，等等。如果采用非單例模式（Prototype類型），則Bean初始化后的管理交由J2EE容器，Spring容器不再跟蹤管理Bean的生命周期。
• 使用單例模式需要注意的一點(diǎn)就是JVM的垃圾回收機(jī)制，如果我們的一個(gè)單例對(duì)象在內(nèi)存中長(zhǎng)久不使用，JVM就認(rèn)為這個(gè)對(duì)象是一個(gè)垃圾，在CPU資源空閑的情況下該對(duì)象會(huì)被清理掉，下次再調(diào)用時(shí)就需要重新產(chǎn)生一個(gè)對(duì)象。如果我們?cè)趹?yīng)用中使用單例類作為有狀態(tài)值（如計(jì)數(shù)器）的管理，則會(huì)出現(xiàn)恢復(fù)原狀的情況，應(yīng)用就會(huì)出現(xiàn)故障。如果確實(shí)需要采用單例模式來(lái)記錄有狀態(tài)的值，有兩種辦法可以解決該問(wèn)題：

i.由容器管理單例的生命周期

Java EE容器或者框架級(jí)容器（如Spring）可以讓對(duì)象長(zhǎng)久駐留內(nèi)存。當(dāng)然，自行通過(guò)管理對(duì)象的生命期也是一個(gè)可行的辦法，既然有那么多的工具提供給我們，為什么不用呢?

ii. 狀態(tài)隨時(shí)記錄

可以使用異步記錄的方式，或者使用觀察者模式，記錄狀態(tài)的變化，寫入文件或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫(kù)中，確保即使單例對(duì)象重新初始化也可以從資源環(huán)境獲得銷毀前的數(shù)據(jù)，避免應(yīng)用數(shù)據(jù)丟失。