單例模式

模式動機

    對於系統中的某些類來說，只有一個實例很重要，例如，一個系統中可以存在多個打印任務，但是只能有一個正在工作的任務；一個系統只能有一個窗口管理器或文件系統；一個系統只能有一個計時工具或ID（序號）生成器。

    如何保證一個類只有一個實例並且這個實例易於被訪問呢？定義一個全局變量可以確保對象隨時都可以被訪問，但不能防止我們實例化多個對象。

    一個更好的解決辦法是讓類自身負責保存它的唯一實例。這個類可以保證沒有其他實例被創建，並且它可以提供一個訪問該實例的方法。這就是單例模式的模式動機。

 

模式定義

    單例模式(Singleton Pattern)：單例模式確保某一個類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例，這個類稱為單例類，它提供全局訪問的方法。

    單例模式的要點有三個：一是某個類只能有一個實例；二是它必須自行創建這個實例；三是它必須自行向整個系統提供這個實例。單例模式是一種對象創建型模式。單例模式又名單件模式或單態模式。

 

模式結構

單例模式包含如下角色：

    •  Singleton：單例

模式分析

    單例模式的目的是保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。單例模式包含的角色只有一個，就是單例類——Singleton。單例類擁有一個私有構造函數，確保用戶無法通過new關鍵字直接實例化它。除此之外，該模式中包含一個靜態私有成員變量與靜態公有的工廠方法，該工廠方法負責檢驗實例的存在性並實例化自己，然后存儲在靜態成員變量中，以確保只有一個實例被創建。

單例模式的實現代碼如下所示：

public class Singleton
{
    private static Singleton instance=null;  //靜態私有成員變量
    //私有構造函數
    private Singleton()
    {    
    }
    
       //靜態公有工廠方法，返回唯一實例
    public static Singleton getInstance()
    {
        if(instance==null)
            instance=new Singleton();    
        return instance;
    }
}

在單例模式的實現過程中，需要注意如下三點：

    • 單例類的構造函數為私有；

    • 提供一個自身的靜態私有成員變量；

    • 提供一個公有的靜態工廠方法。

單例模式實例與解析

實例一：身份證號碼

    • 在現實生活中，居民身份證號碼具有唯一性，同一個人不允許有多個身份證號碼，第一次申請身份證時將給居民分配一個身份證號碼，如果之后因為遺失等原因補辦時，還是使用原來的身份證號碼，不會產生新的號碼。現使用單例模式模擬該場景。

 

實例代碼(JAVA)：

public class IdentityCardNo
{
    private static IdentityCardNo instance=null;
    private String no;
    
    private IdentityCardNo()
    {    
    }
    
    public static IdentityCardNo getInstance()
    {
        if(instance==null)
        {
            System.out.println("第一次辦理身份證，分配新號碼！");
            instance=new IdentityCardNo();
            instance.setIdentityCardNo("No400011112222");        
        }
        else
        {
            System.out.println("重復辦理身份證，獲取舊號碼！");  
        }
        return instance;
    }
    
    private void setIdentityCardNo(String no)
    {
        this.no=no;
    }
    
    public String getIdentityCardNo()
    {
        return this.no;
    }
    
}

public class Client
{
    public static void main(String a[])
    {
       IdentityCardNo no1,no2;
       no1=IdentityCardNo.getInstance();
       no2=IdentityCardNo.getInstance();
       System.out.println("身份證號碼是否一致：" + (no1==no2));
       
       String str1,str2;
       str1=no1.getIdentityCardNo();
       str2=no1.getIdentityCardNo();
       System.out.println("第一次號碼：" + str1);
       System.out.println("第二次號碼：" + str2);
       System.out.println("內容是否相等：" + str1.equalsIgnoreCase(str2));
       System.out.println("是否是相同對象：" + (str1==str2));
    }
}

實例二：打印池

 

    • 在操作系統中，打印池(Print Spooler)是一個用於管理打印任務的應用程序，通過打印池用戶可以刪除、中止或者改變打印任務的優先級，在一個系統中只允許運行一個打印池對象，如果重復創建打印池則拋出異常。現使用單例模式來模擬實現打印池的設計。

 

實例代碼(JAVA)：

public class PrintSpoolerSingleton
{
    private static PrintSpoolerSingleton instance=null;
    
    private PrintSpoolerSingleton()
    {    
    }
    
    public static PrintSpoolerSingleton getInstance() throws PrintSpoolerException
    {
        if(instance==null)
        {
            System.out.println("創建打印池！");
            instance=new PrintSpoolerSingleton();        
        }
        else
        {
            throw new PrintSpoolerException("打印池正在工作中！");
        }
        return instance;
    }
    
    public void manageJobs()
    {
        System.out.println("管理打印任務！");
    }    
}

public class PrintSpoolerException extends Exception     
{
    public PrintSpoolerException(String message) 
    {    
        super(message);
    }
}

public class Client
{
    public static void main(String a[])
    {
       PrintSpoolerSingleton ps1,ps2;
       try
       {
            ps1=PrintSpoolerSingleton.getInstance();
            ps1.manageJobs();    
       }
       catch(PrintSpoolerException e)
       {
               System.out.println(e.getMessage());
       }
            System.out.println("--------------------------");       
       try
       {
           ps2=PrintSpoolerSingleton.getInstance(); 
           ps2.manageJobs();      
       }
       catch(PrintSpoolerException e)
       {
           System.out.println(e.getMessage());
       }
    }
}

模式優缺點

優點

    • 提供了對唯一實例的受控訪問。因為單例類封裝了它的唯一實例，所以它可以嚴格控制客戶怎樣以及何時訪問它，並為設計及開發團隊提供了共享的概念。

    • 由於在系統內存中只存在一個對象，因此可以節約系統資源，對於一些需要頻繁創建和銷毀的對象，單例模式無疑可以提高系統的性能。

    • 允許可變數目的實例。我們可以基於單例模式進行擴展，使用與單例控制相似的方法來獲得指定個數的對象實例。

缺點

    • 由於單例模式中沒有抽象層，因此單例類的擴展有很大的困難。

    • 單例類的職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。因為單例類既充當了工廠角色，提供了工廠方法，同時又充當了產品角色，包含一些業務方法，將產品的創建和產品的本身的功能融合到一起。

    • 濫用單例將帶來一些負面問題，如為了節省資源將數據庫連接池對象設計為單例類，可能會導致共享連接池對象的程序過多而出現連接池溢出；現在很多面向對象語言(如Java、C#)的運行環境都提供了自動垃圾回收的技術，因此，如果實例化的對象長時間不被利用，系統會認為它是垃圾，會自動銷毀並回收資源，下次利用時又將重新實例化，這將導致對象狀態的丟失。

模式適用環境

在以下情況下可以使用單例模式：

    • 系統只需要一個實例對象，如系統要求提供一個唯一的序列號生成器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許創建一個對象。

    • 客戶調用類的單個實例只允許使用一個公共訪問點，除了該公共訪問點，不能通過其他途徑訪問該實例。

    • 在一個系統中要求一個類只有一個實例時才應當使用單例模式。反過來，如果一個類可以有幾個實例共存，就需要對單例模式進行改進，使之成為多例模式。

模式應用

    (1)  java.lang.Runtime類

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    public static Runtime getRuntime() { 
    return currentRuntime;
    }
    private Runtime() {}
    ...
} 

    (2)  一個具有自動編號主鍵的表可以有多個用戶同時使用，但數據庫中只能有一個地方分配下一個主鍵編號，否則會出現主鍵重復，因此該主鍵編號生成器必須具備唯一性，可以通過單例模式來實現。  

    (3)  默認情況下，Spring會通過單例模式創建bean實例：

<bean id="date" class="java.util.Date" scope="singleton"/>

模式擴展

餓漢式單例類

懶漢式單例類

 

餓漢式單例與懶漢式單例類比較

    • 餓漢式單例類在自己被加載時就將自己實例化。單從資源利用效率角度來講，這個比懶漢式單例類稍差些。從速度和反應時間角度來講，則比懶漢式單例類稍好些。

    • 懶漢式單例類在實例化時，必須處理好在多個線程同時首次引用此類時的訪問限制問題，特別是當單例類作為資源控制器，在實例化時必然涉及資源初始化，而資源初始化很有可能耗費大量時間，這意味着出現多線程同時首次引用此類的機率變得較大，需要通過同步化機制進行控制。

    public static Object getInstance(){
        if(obj == null){
            synchronized(Object.class){
                if(obj == null){
                    obj = new Object();
                }
            }
        }
        return obj;
    }