[设计模式]<<设计模式之禅>>关于单例模式

 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。