设计模式——单例模式

前面已经对工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式、原型模式进行了介绍，今天要介绍的是设计模式的创建型模式的最后一个模式——单例模式。

 

一、单例模式动机

顾名思义，就是某个类只有一个实例，这种场景其实在软件开发中屡见不鲜，因为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。

 

那么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。

 

单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念。

 

由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。

 

允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

 

二、单例模式定义

单例模式(Singleton Pattern)：单例模式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，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

 

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。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

 

三、单例模式结构

单例模式包含一个角色：

Singleton：单例

 

但是单例模式有两种实现形式：懒汉式单例类和饿汉式单例类，具体如下：

 饿汉式单例类

 

懒汉式单例类

 

可以看到饿汉式和懒汉式两种方式在初始化的时候有如下不同：

1.饿汉式单例类在自己被加载时就将自己实例化。单从资源利用效率角度来讲，这个比懒汉式单例类稍差些。从速度和反应时间角度来讲，则比懒汉式单例类稍好些。

2.懒汉式单例类在实例化时，必须处理好在多个线程同时首次引用此类时的访问限制问题，特别是当单例类作为资源控制器，在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费大量时间，这意味着出现多线程同时首次引用此类的机率变得较大，需要通过同步化机制进行控制。

 

不管饿汉式还是懒汉式，两种单例模式的实现形式都有一个共同特点：

在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的工厂方法，让客户可以使用它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有。 

 

四、模式分析

单例模式的目的是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。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。 

 

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：

1.单例类的构造函数为私有；

2.提供一个自身的静态私有成员变量； 

3.提供一个公有的静态工厂方法。

 

五、实例分析

还是老规矩，我们拿一个例子进行展示。如下：在操作系统中，打印池(Print Spooler)是一个用于管理打印任务的应用程序，通过打印池用户可以删除、中止或者改变打印任务的优先级，在一个系统中只允许运行一个打印池对象，如果重复创建打印池则抛出异常。现使用单例模式来模拟实现打印池的设计。

 

1.懒汉式单例模式

 

public class PrintSpoolLazy {

	private static PrintSpoolLazy instance;
	
	/**
	 * 构造方法私有化
	 */
	private PrintSpoolLazy(){
		// 初始化打印池数据
		System.out.println("创建了一个打印池对象，对象地址为:" + this);
	}
	
	public static PrintSpoolLazy getInstance(){
		if(instance == null){
			instance = new PrintSpoolLazy();
		}
		return instance;
	}
	
	public void manageJobs() {
		System.out.println("打印池对象地址：" + this + "\n" + "进行了打印作业管理");
	}
	
}

  

 

2.饿汉式单例模式

 

public class PrintSpoolHungry {

private static PrintSpoolHungry instance = new PrintSpoolHungry();
	
	/**
	 * 构造方法私有化
	 */
	private PrintSpoolHungry(){
		// 初始化打印池数据
		System.out.println("创建了一个打印池对象，对象地址为:" + this);
	}
	
	public static PrintSpoolHungry getInstance(){
		return instance;
	}
	
	public void manageJobs() {
		System.out.println("打印池对象地址：" + this + "\n" + "进行了打印作业管理");
	}
	
}

 

 

3.测试类

public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		System.out.println("懒汉式单例模式");
		PrintSpoolLazy printSpoolLazy1 = PrintSpoolLazy.getInstance();
		printSpoolLazy1.manageJobs();
		PrintSpoolLazy printSpoolLazy2 = PrintSpoolLazy.getInstance();
		printSpoolLazy2.manageJobs();
		System.out.println("饿汉式单例模式");
		PrintSpoolHungry printSpoolHungry1 = PrintSpoolHungry.getInstance();
		printSpoolHungry1.manageJobs();
		PrintSpoolHungry printSpoolHungry2 = PrintSpoolHungry.getInstance();
		printSpoolHungry2.manageJobs();
	}

 

运行结果：

  

六、多线程编程中使用单例模式的优化

Java支持多线程编程，每个Java应用程序会启动一个主线程—将main()放在它自己执行空间的最开始处。Java虚拟机会负责主线程的启动（以及比如垃圾收集所需的系统用线程）。程序员负责启动自己的线程。下面来看一个例子，在多线程环境下使用前面懒汉式单例模式。如下图所示：

那么这个时候我们很自然的想到了，采用synchronized关键字对getInstance()方法进行同步，灾难几乎就可以轻易解决了，但是却给性能带来显著的下降，原因如下：

（1） 进入同步化的方法的程序，需要查询哪个线程有权访问对象的方法(即对象上了锁，有钥匙才能开)；

（2）同步化会强制线程排队等着执行方法；

（3）同步可能会导致死锁。

实际上，我们只有第一次执行此方法时，才真正需要同步。即一旦设置好了uniqueInstance变量，就不再需要同步化这个方法了。之后每次调用这个方法，同步都是一种累赘。所以采用一种“双重加锁检查”，如下代码：

 

public class PrintSpoolLazy {

	private volatile static PrintSpoolLazy instance;
	
	/**
	 * 构造方法私有化
	 */
	private PrintSpoolLazy(){
		// 初始化打印池数据
		System.out.println("创建了一个打印池对象，对象地址为:" + this);
	}
	
	public static PrintSpoolLazy getInstance(){
		if(instance == null){
			synchronized (PrintSpoolLazy.class) {
				if(instance == null){
					instance = new PrintSpoolLazy();
				}
			}	
		}
		return instance;
	}
	
	public void manageJobs() {
		System.out.println("打印池对象地址：" + this + "\n" + "进行了打印作业管理");
	}
	
}

对静态变量instance加上volatile关键字是确保多线程正确处理该变量，保证线程的可见性。可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。

 

在getInstance()方法内部，通过双重锁，保证了第一次使用的时候，并且单例变量为空的时候进行了第一次同步，如果同步后发现不为空了就会直接返回静态变量instance，如果为空则会创建一个唯一实例，这样可以大大降低程序性能。

 

谢谢您的关注和阅读，文章不当之处还请您不吝赐教~~~