1 我是皇帝我独苗

自从秦始皇确立了皇帝这个位置以后,同一时期基本上就只有一个人孤零零地坐在这个位置。这种情况下臣民们也好处理,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,而不用在皇帝前面加上特定的称呼,如张皇帝、李皇帝。这一个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,该怎么实现呢?对象产生是通过new关键字完成的(当然也有其
他方式,比如对象复制、反射等),这个怎么控制呀,但是大家别忘记了构造函数,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?臣子叩拜唯一皇帝的过程类图如图所示:

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

Emperor类的代码清单如下:

 public class Emperor {
private static final Emperor emperor =new Emperor(); //初始化一个皇帝 private Emperor(){
//世俗和道德约束你,目的就是不希望产生第二个皇帝
} public static Emperor getInstance(){
return emperor;
} //皇帝发话了
public static void say(){
System.out.println("我就是皇帝某某某....");
}
}

通过定义一个私有访问权限的构造函数,避免被其他类new出来一个对象,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。

皇帝有了,臣子要出场,其类如代码清单如下所示:

 public class Minister {

     /**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
for(int day=0;day<3;day++){
Emperor emperor=Emperor.getInstance();
emperor.say();
} //三天见的皇帝都是同一个人,荣幸吧!
} }

臣子参拜皇帝的运行结果如下所示。

我就是皇帝某某某....
我就是皇帝某某某....
我就是皇帝某某某....

臣子天天要上朝参见皇帝,今天参拜的皇帝应该和昨天、前天的一样(过渡期的不考虑,别找茬哦),大臣磕完头,抬头一看,嗨,还是昨天那个皇帝,老熟人了,容易讲话,

这就是单例模式。

2 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 to 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。)
单例模式的通用类图如图所示。

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中自己使用new Singleton())。单例模式的通用源代码如代码清单如下所示。

public class Singleton {
private static final Singleton singleton = new Singleton();
//限制产生多个对象
private Singleton(){
}
//通过该方法获得实例对象
public static Singleton getSingleton(){
return singleton;
}
//类中其他方法,尽量是static
public static void doSomething(){
}
}

3 单例模式的应用

3.1 单例模式的优点

● 由于单例模式在内存中只有一个实例,减少了内存开支,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。
● 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Java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制)。
● 单例模式可以避免对资源的多重占用,例如一个写文件动作,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。
● 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。

3.2 单例模式的缺点

● 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,需要在系统开发中根据环境判断。
● 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。
● 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,是不是要单例取决于环境,单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。
3.3 单例模式的使用场景
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:
● 要求生成唯一序列号的环境;
● 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,并确保是线程安全的;

● 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,可以采用单例模式(当然,也可以直接声明为static的方式)。

3.4 单例模式的注意事项

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方式,上面的例子不会出现产生多个实例的情况,但是如代码清单7-4所示的单例模式就需

要考虑线程同步。
代码清单线程不安全的单例:

 public final class Singleton {
private static Singleton singleton = null; //限制产生多个对象
private Singleton(){ } //通过该方法获得实例对象
public synchronized 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singleton = 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也获得了一个对象,在内存中就出现两个对象!

解决线程不安全的方法很有多,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,建议读者使用如代码清单7-3所示的方式(有的书上把代码清单7-3中的单例称为饿汉式单例,在代码清单7-4中增加了synchronized的单例称为懒汉式单例)。
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。

 

4 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,如果只需要一个对象,使用单例模式就可以了,但是如果要求一个类
只能产生两三个对象呢?该怎么实现?我们还以皇帝为例来说明。
一般情况下,一个朝代的同一个时代只有一个皇帝,那有没有出现两个皇帝的情况呢?
确实有,就出现在明朝,那三国期间的算不算?不算,各自称帝,各有各的地盘,国号不同。大家还记得《石灰吟》这首诗吗?作者是谁?于谦。他是被谁杀死的?明英宗朱祁镇。
对,就是那个在土木堡之变中被瓦剌俘虏的皇帝,被俘虏后,他弟弟朱祁钰当上了皇帝,就是明景帝,估计刚当上皇帝乐疯了,忘记把他哥哥朱祁镇升级为太上皇,在那个时期就出现
了两个皇帝,这期间的大臣是非常郁闷的,为什么呀?因为可能出现今天参拜的皇帝和昨天的皇帝不相同,昨天给那个皇帝汇报,今天还要给这个皇帝汇报一遍,该情况的类图如下所示:

这个类图看起来还算简单,但是实现就有点复杂了。Emperor类如代码清单如下所示:

固定数量的皇帝类

 /**
* @author cbf4Life cbf4life@126.com
* I'm glad to share my knowledge with you all.
* 中国的历史上一般都是一个朝代一个皇帝,有两个皇帝的话,必然要PK出一个皇帝出来。
* 问题出来了:如果真在一个时间,中国出现了两个皇帝怎么办?比如明朝土木堡之变后,
* 明英宗被俘虏,明景帝即位,但是明景帝当上皇帝后乐疯了,竟然忘记把他老哥明英宗削为太上皇,
* 也就是在这一个多月的时间内,中国竟然有两个皇帝!
*
*/ 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<String>();
//定义一个列表,容纳所有的皇帝实例
private static ArrayList<Emperor> emperorList=new ArrayList<Emperor>();
//当前皇帝序列号
private static int countNumOfEmperor =0; //产生所有的对象
static{
for(int i=0;i<maxNumOfEmperor;i++){
emperorList.add(new Emperor("皇"+(i+1)+"帝"));
}
} private Emperor(){
//世俗和道德约束你,目的就是不让你产生第二个皇帝
} //输入皇帝名称,建立一个皇帝对象
private Emperor(String name){
nameList.add(name);
} //随机获得一个皇帝对象
public static Emperor getInstance(){
Random random = new Random();
countNumOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor); //随机拉出一个皇帝,只要是个精神领袖就成
return emperorList.get(countNumOfEmperor);
} //获得指定的皇帝
public static Emperor getInstance(int i){
return emperorList.get(i);
} //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。臣子参拜皇帝的过程如代码清单如下所示:

 /**
* @author cbf4Life cbf4life@126.com
* I'm glad to share my knowledge with you all.
* 大臣们悲惨了,一个皇帝都伺候不过来了,现在还来了两个个皇帝
* TND,不管了,找到个皇帝,磕头,请按就成了!
*/
@SuppressWarnings("all")
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+1)+"个大臣参拜的是:");
emperor.say();
}
}
}

运行结果:

第1个大臣参拜的是:皇1帝
第2个大臣参拜的是:皇2帝
第3个大臣参拜的是:皇1帝
第4个大臣参拜的是:皇1帝
第5个大臣参拜的是:皇2帝

看,果然每个大臣参拜的皇帝都可能不一样,大臣们就开始糊涂了,A大臣给皇1帝汇报了一件事情,皇2帝不知道,然后就开始怀疑大臣A是皇1帝的亲信,然后就想办法开始整……
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。例如读取文件,我们可以在系统启动时完成初始化工作,在内存中启动固定数量的reader实例,然后在需要读取文件时就可以快速响应。

5 最佳实践

单例模式是23个模式中比较简单的模式,应用也非常广泛,如在Spring中,每个Bean默认就是单例的,这样做的优点是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初始化后的管理交由J2EE容器,Spring容器不再跟踪管理Bean的生命周期。

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