单例模式

单例模式

单例模式是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例

 

中文名

单例模式

外文名

Singleton pattern

类    别

设计模式

解    释

常用的软件设计模式

 

定义

数学与逻辑学中，singleton定义为“有且仅有一个元素的集合”。

单例模式最初的定义出现于《设计模式》（艾迪生维斯理, 1994）：“保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。”

Java中单例模式定义：“一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。”

Java单例模式例子

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public class SingletonClass{     private static volatile SingletonClass instance=null;     public static SingletonClass getInstance(){             synchronized(SingletonClass.class){                 if(instance==null){                     instance=new SingletonClass();                 }             }         return instance;     }     private SingletonClass(){} }

 

简介

单例模式的静态结构图

单例模式是设计模式中最简单的形式之一。这一模式的目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。要实现这一点，可以从客户端对其进行实例化开始。因此需要用一种只允许生成对象类的唯一实例的机制，“阻止”所有想要生成对象的访问。使用工厂方法来限制实例化过程。这个方法应该是静态方法（类方法），因为让类的实例去生成另一个唯一实例毫无意义。[2] 

Static uniqueInstance是singleton的唯一实例, static sharedInstance将把它返回客户端。通常，sharedInstance会检查uniqueInstance是否已经被实例化。如果没有，它会生成一个实例然后返回uniqueInstance。[2] 

 

动机

对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。如在Windows中就只能打开一个任务管理器。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化，将弹出多个窗口，如果这些窗口显示的内容完全一致，则是重复对象，浪费内存资源；如果这些窗口显示的内容不一致，则意味着在某一瞬间系统有多个状态，与实际不符，也会给用户带来误解，不知道哪一个才是真实的状态。因此有时确保系统中某个对象的唯一性即一个类只能有一个实例非常重要。[3] 

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。[3] 

 

要点

显然单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

在下面的对象图中，有一个"单例对象"，而"客户甲"、"客户乙" 和"客户丙"是单例对象的三个客户对象。可以看到，所有的客户对象共享一个单例对象。而且从单例对象到自身的连接线可以看出，单例对象持有对自己的引用。

一些资源管理器常常设计成单例模式。

在计算机系统中，需要管理的资源包括软件外部资源，譬如每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler， 以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干传真卡，但是只应该有一个软件负责管理传真卡，以避免出现两份传真作业同时传到传真卡中的情况。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。

需要管理的资源包括软件内部资源，譬如，大多数的软件都有一个（甚至多个）属性（properties）文件存放系统配置。这样的系统应当由一个对象来管理一个属性文件。

需要管理的软件内部资源也包括譬如负责记录网站来访人数的部件，记录软件系统内部事件、出错信息的部件，或是对系统的表现进行检查的部件等。这些部件都必须集中管理，不可整出多头。

这些资源管理器构件必须只有一个实例，这是其一；它们必须自行初始化，这是其二；允许整个系统访问自己这是其三。因此，它们都满足单例模式的条件，是单例模式的应用。

 

优缺点

 

优点

一、实例控制

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

二、灵活性

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

 

缺点

一、开销

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

二、可能的开发混淆

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

三、对象生存期

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。。

 

实例

 

Java

当一个类的实例可以有且只可以一个的时候就需要用到了。为什么只需要有一个呢？有人说是为了节约内存，但这只是单例模式带来的一个好处。只有一个实例确实减少内存占用，可是我认为这不是使用单例模式的理由。我认为使用单例模式的时机是当实例存在多个会引起程序逻辑错误的时候。比如类似有序的号码生成器这样的东西，怎么可以允许一个应用上存在多个呢？

Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

一般Singleton模式通常有三种形式:

第一种形式:懒汉式，也是常用的形式。

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public class SingletonClass{     private static SingletonClass instance=null;     public static　synchronized　SingletonClass getInstance(){         if(instance==null){                instance=new SingletonClass();         }         return instance;     }     private SingletonClass(){     } }

第二种形式:饿汉式

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//对第一行static的一些解释 // java允许我们在一个类里面定义静态类。比如内部类（nested class）。 //把nested class封闭起来的类叫外部类。 //在java中，我们不能用static修饰顶级类（top level class）。 //只有内部类可以为static。 public class Singleton{     //在自己内部定义自己的一个实例，只供内部调用     private static final Singleton instance = new Singleton();     private Singleton(){         //do something     }     //这里提供了一个供外部访问本class的静态方法，可以直接访问     public static Singleton getInstance(){         return instance;     } }

第三种形式: 双重锁的形式。

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public class Singleton{     private static volatile Singleton instance=null;     private Singleton(){         //do something     }     public static  Singleton getInstance(){         if(instance==null){             synchronized(Singleton.class){                 if(instance==null){                     instance=new Singleton();                 }             }         }         return instance;      } } //这个模式将同步内容下方到if内部，提高了执行的效率，不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步，创建了以后就没必要了。 //这种模式中双重判断加同步的方式，比第一个例子中的效率大大提升，因为如果单层if判断，在服务器允许的情况下， //假设有一百个线程，耗费的时间为100*（同步判断时间+if判断时间），而如果双重if判断，100的线程可以同时if判断，理论消耗的时间只有一个if判断的时间。 //所以如果面对高并发的情况，而且采用的是懒汉模式，最好的选择就是双重判断加同步的方式。