深入浅出单例模式

一、引子
单例模式是设计模式中使用很频繁的一种模式，在各种开源框架、应用系统中多有应用，在我前面的几篇文章中也结合其它模式使用到了单例模式。这里我们就单例模式进行系统的学习。并对有人提出的“单例模式是邪恶的”这个观点进行了一定的分析。

二、定义与结构
单例模式又叫做单态模式或者单件模式。在GOF书中给出的定义为：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。单例模式中的“单例”通常用来代表那些本质上具有唯一性的系统组件（或者叫做资源）。比如文件系统、资源管理器等等。
单例模式的目的就是要控制特定的类只产生一个对象，当然也允许在一定情况下灵活的改变对象的个数。那么怎么来实现单例模式呢？一个类的对象的产生是由类构造函数来完成的，如果想限制对象的产生，就要将构造函数变为私有的（至少是受保护的），使得外面的类不能通过引用来产生对象；同时为了保证类的可用性，就必须提供一个自己的对象以及访问这个对象的静态方法。
现在对单例模式有了大概的了解了吧，其实单例模式在实现上是非常简单的——只有一个角色，而客户则通过调用类方法来得到类的对象。
放上一个类图吧，这样更直观一些：


单例模式可分为有状态的和无状态的。有状态的单例对象一般也是可变的单例对象，多个单态对象在一起就可以作为一个状态仓库一样向外提供服务。没有状态的单例对象也就是不变单例对象，仅用做提供工具函数。

三、实现
在单例模式的实现上有几种不同的方式，我在这里将一一讲解。先来看一种方式，它在《java与模式》中被称为饿汉式。

public class Singleton {
//在自己内部定义自己一个实例
//注意这是private 只供内部调用
private static Singleton instance = new Singleton();
//如上面所述，将构造函数设置为私有
private Singleton(){
}　
//静态工厂方法，提供了一个供外部访问得到对象的静态方法　　
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　return instance; 　　
　　}
}

       下面这种方式被称为懒汉式：P

public class Singleton {
       //和上面有什么不同？
private static Singleton instance = null;
//设置为私有的构造函数
private Singleton(){
}　
//静态工厂方法
public static synchronized Singleton getInstance() {
//这个方法比上面有所改进
　　       if (instance==null)
              instance＝new Singleton();
　　       return instance; 　　
}
}

先让我们来比较一下这两种实现方式。
首先他们的构造函数都是私有的，彻底断开了使用构造函数来得到类的实例的通道，但是这样也使得类失去了多态性（大概这就是为什么有人将这种模式称作单态模式）。
在第二种方式中，对静态工厂方法进行了同步处理，原因很明显——为了防止多线程环境中产生多个实例；而在第一种方式中则不存在这种情况。
       在第二种方式中将类对自己的实例化延迟到第一次被引用的时候。而在第一种方式中则是在类被加载的时候实例化，这样多次加载会照成多次实例化。但是第二种方式由于使用了同步处理，在反应速度上要比第一种慢一些。
       在 《java与模式》书中提到，就java语言来说，第一种方式更符合java语言本身的特点。
       以上两种实现方式均失去了多态性，不允许被继承。还有另外一种灵活点的实现，将构造函数设置为受保护的，这样允许被继承产生子类。这种方式在具体实现上又有所不同，可以将父类中获得对象的静态方法放到子类中再实现；也可以在父类的静态方法中进行条件判断来决定获得哪一个对象；在GOF中认为最好的一种方式是维护一张存有对象和对应名称的注册表（可以使用HashMap来实现）。下面的实现参考《java与模式》采用带有注册表的方式。

import java.util.HashMap;

public class Singleton
{
//用来存放对应关系
       private static HashMap sinRegistry = new HashMap();
       static private Singleton s = new Singleton();
       //受保护的构造函数
       protected Singleton()
       {}
       public static Singleton getInstance(String name)
       {
              if(name == null)
                     name = "Singleton";
              if(sinRegistry.get(name)==null)
              {
                     try{
                            sinRegistry.put(name , Class.forName(name).newInstance());
                     }catch(Exception e)
                     {
                            e.printStackTrace();
                     }    
              }
              return (Singleton)(sinRegistry.get(name));
       }
       public void test()
       {
              System.out.println("getclasssuccess!");     
       }
}

public class SingletonChild1 extends Singleton
{
       public SingletonChild1(){}
       static    public SingletonChild1 getInstance()
       {
              return (SingletonChild1)Singleton.getInstance("SingletonChild1");    
       }
       public void test()
       {
              System.out.println("getclasssuccess111!");
       }
}

在java中子类的构造函数的范围不能比父类的小，所以可能存在不守规则的客户程序使用其构造函数来产生实例。

四、单例模式邪恶论
看这题目也许有点夸张，不过这对初学者是一个很好的警告。单例模式在java中的使用存在很多陷阱和假象，这使得没有意识到单例模式使用局限性的你在系统中布下了隐患……
其实这个问题早在2001年的时候就有人在网上系统的提出来过，我在这里只是老生常谈了。但是对于大多的初学者来说，可能这样的观点在还很陌生。下面我就一一列举出单例模式在java中存在的陷阱。

多个虚拟机
当系统中的单例类被拷贝运行在多个虚拟机下的时候，在每一个虚拟机下都可以创建一个实例对象。在使用了EJB、JINI、RMI技术的分布式系统中，由于中间件屏蔽掉了分布式系统在物理上的差异，所以对你来说，想知道具体哪个虚拟机下运行着哪个单例对象是很困难的。
因此，在使用以上分布技术的系统中，应该避免使用存在状态的单例模式，因为一个有状态的单例类，在不同虚拟机上，各个单例对象保存的状态很可能是不一样的，问题也就随之产生。而且在EJB中不要使用单例模式来控制访问资源，因为这是由EJB容器来负责的。在其它的分布式系统中，当每一个虚拟机中的资源是不同的时候，可以考虑使用单例模式来进行管理。

多个类加载器
当存在多个类加载器加载类的时候，即使它们加载的是相同包名，相同类名甚至每个字节都完全相同的类，也会被区别对待的。因为不同的类加载器会使用不同的命名空间（namespace）来区分同一个类。因此，单例类在多加载器的环境下会产生多个单例对象。
也许你认为出现多个类加载器的情况并不是很多。其实多个类加载器存在的情况并不少见。在很多J2EE服务器上允许存在多个servlet引擎，而每个引擎是采用不同的类加载器的；浏览器中applet小程序通过网络加载类的时候，由于安全因素，采用的是特殊的类加载器，等等。
       这种情况下，由状态的单例模式也会给系统带来隐患。因此除非系统由协调机制，在一般情况下不要使用存在状态的单例模式。

       错误的同步处理
       在使用上面介绍的懒汉式单例模式时，同步处理的恰当与否也是至关重要的。不然可能会达不到得到单个对象的效果，还可能引发死锁等错误。因此在使用懒汉式单例模式时一定要对同步有所了解。不过使用饿汉式单例模式就可以避免这个问题。

       子类破坏了对象控制
       在上一节介绍最后一种扩展性较好的单例模式实现方式的时候，就提到，由于类构造函数变得不再私有，就有可能失去对对象的控制。这种情况只能通过良好的文档来规范。

       串行化（可序列化）
为了使一个单例类变成可串行化的，仅仅在声明中添加“implements Serializable”是不够的。因为一个串行化的对象在每次返串行化的时候，都会创建一个新的对象，而不仅仅是一个对原有对象的引用。为了防止这种情况，可以在单例类中加入readResolve方法。关于这个方法的具体情况请参考《Effective Java》一书第57条建议。
其实对象的串行化并不仅局限于上述方式，还存在基于XML格式的对象串行化方式。这种方式也存在上述的问题，所以在使用的时候要格外小心。

       上面罗列了一些使用单例模式时可能会遇到的问题。而且这些问题都和java中的类、线程、虚拟机等基础而又复杂的概念交织在一起，你如果稍不留神……。但是这并不代表着单例模式就一无是处，更不能一棒子将其打死。它还是不可缺少的一种基础设计模式，它对一些问题提供了非常有效的解决方案，在java中你完全可以把它看成编码规范来学习，只是使用的时候要考虑周全些就可以了。

五、题外话
抛开单例模式，使用下面一种简单的方式也能得到单例，而且如果你确信此类永远是单例的，使用下面这种方式也许更好一些。
public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
而使用单例模式提供的方式，这可以在不改变API的情况下，改变我们对单例类的具体要求。