研磨设计模式之单例模式-2

3  模式讲解

3.1  认识单例模式

（1）单例模式的功能
        单例模式的功能是用来保证这个类在运行期间只会被创建一个类实例，另外单例模式还提供了一个全局唯一访问这个类实例的访问点，就是那个getInstance的方法。不管采用懒汉式还是饿汉式的实现方式，这个全局访问点是一样的。
        对于单例模式而言，不管采用何种实现方式，它都是只关心类实例的创建问题，并不关心具体的业务功能。
（2）单例模式的范围
        也就是在多大范围内是单例呢？
        观察上面的实现可以知道，目前Java里面实现的单例是一个ClassLoader及其子ClassLoader的范围。因为一个ClassLoader在装载饿汉式实现的单例类的时候就会创建一个类的实例。
        这就意味着如果一个虚拟机里面有很多个ClassLoader，而且这些ClassLoader都装载某个类的话，就算这个类是单例，它也会产生很多个实例。当然，如果一个机器上有多个虚拟机，那么每个虚拟机里面都应该至少有一个这个类的实例，也就是说整个机器上就有很多个实例，更不会是单例了。
        另外请注意一点，这里讨论的单例模式并不适用于集群环境，对于集群环境下的单例这里不去讨论，那不属于这里的内容范围。
（3）单例模式的命名
        一般建议单例模式的方法命名为：getInstance()，这个方法的返回类型肯定是单例类的类型了。getInstance方法可以有参数，这些参数可能是创建类实例所需要的参数，当然，大多数情况下是不需要的。
        单例模式的名称：单例、单件、单体等等，翻译的不同，都是指的同一个模式。

3.2  懒汉式和饿汉式实现

        前面提到了单例模式有两种典型的解决方案，一种叫懒汉式，一种叫饿汉式，这两种方式究竟是如何实现的，下面分别来看看。为了看得更清晰一点，只是实现基本的单例控制部分，不再提供示例的属性和方法了；而且暂时也不去考虑线程安全的问题，这个问题在后面会重点分析。
1：第一种方案 懒汉式
（1）私有化构造方法
        要想在运行期间控制某一个类的实例只有一个，那首先的任务就是要控制创建实例的地方，也就是不能随随便便就可以创建类实例，否则就无法控制创建的实例个数了。现在是让使用类的地方来创建类实例，也就是在类外部来创建类实例。
        那么怎样才能让类的外部不能创建一个类的实例呢？很简单，私有化构造方法就可以了！示例代码如下：

private Singleton(){ 
}

（2）提供获取实例的方法
       构造方法被私有化了，外部使用这个类的地方不干了，外部创建不了类实例就没有办法调用这个对象的方法，就实现不了功能处理，这可不行。经过思考，单例模式决定让这个类提供一个方法来返回类的实例，好让外面使用。示例代码如下：
 

public Singleton getInstance(){
}

（3）把获取实例的方法变成静态的
        又有新的问题了，获取对象实例的这个方法是个实例方法，也就是说客户端要想调用这个方法，需要先得到类实例，然后才可以调用，可是这个方法就是为了得到类实例，这样一来不就形成一个死循环了吗？这不就是典型的“先有鸡还是先有蛋的问题”嘛。
        解决方法也很简单，在方法上加上static，这样就可以直接通过类来调用这个方法，而不需要先得到类实例了，示例代码如下：

public static Singleton getInstance(){ 
}

（4）定义存储实例的属性
        方法定义好了，那么方法内部如何实现呢？如果直接创建实例并返回，这样行不行呢？示例代码如下
 

public static Singleton getInstance(){
       return new Singleton();
}

        当然不行了，如果每次客户端访问都这样直接new一个实例，那肯定会有多个实例，根本实现不了单例的功能。
        怎么办呢？单例模式想到了一个办法，那就是用一个属性来记录自己创建好的类实例，当第一次创建过后，就把这个实例保存下来，以后就可以复用这个实例，而不是重复创建对象实例了。示例代码如下：
 

private Singleton instance = null;

 

（5）把这个属性也定义成静态的
        这个属性变量应该在什么地方用呢？肯定是第一次创建类实例的地方，也就是在前面那个返回对象实例的静态方法里面使用。
        由于要在一个静态方法里面使用，所以这个属性被迫成为一个类变量，要强制加上static，也就是说，这里并没有使用static的特性。示例代码如下：

private static Singleton instance = null;

 

（6）实现控制实例的创建
        现在应该到getInstance方法里面实现控制实例创建了，控制的方式很简单，只要先判断一下，是否已经创建过实例了。如何判断？那就看存放实例的属性是否有值，如果有值，说明已经创建过了，如果没有值，那就是应该创建一个，示例代码如下：

public static Singleton getInstance(){
	//先判断instance是否有值
	if(instance == null){
	//如果没有值，说明还没有创建过实例，那就创建一个
	//并把这个实例设置给instance
	    instance = new Singleton ();
	}
	//如果有值，或者是创建了值，那就直接使用
	return instance;
}

（7）完整的实现
        至此，成功解决了：在运行期间，控制某个类只被创建一个实例的要求。完整的代码如下，为了大家好理解，用注释标示了代码的先后顺序，示例代码如下：

public class Singleton {
	//4：定义一个变量来存储创建好的类实例
	//5：因为这个变量要在静态方法中使用，所以需要加上static修饰
	private static Singleton instance = null;
	//1：私有化构造方法，好在内部控制创建实例的数目
	private Singleton(){	
	}
	//2：定义一个方法来为客户端提供类实例
	//3：这个方法需要定义成类方法，也就是要加static
	public static Singleton getInstance(){
		//6：判断存储实例的变量是否有值
		if(instance == null){
			//6.1：如果没有，就创建一个类实例，并把值赋值给存储类实例的变量
			instance = new Singleton();
		}
		//6.2：如果有值，那就直接使用
		return instance;
	}
}

 2：第二种方案 饿汉式
        这种方案跟第一种方案相比，前面的私有化构造方法，提供静态的getInstance方法来返回实例等步骤都一样。差别在如何实现getInstance方法，在这个地方，单例模式还想到了另外一种方法来实现getInstance方法。
        不就是要控制只创造一个实例吗？那么有没有什么现成的解决办法呢？很快，单例模式回忆起了Java中static的特性：

• static变量在类装载的时候进行初始化 
• 多个实例的static变量会共享同一块内存区域。
  

        这就意味着，在Java中，static变量只会被初始化一次，就是在类装载的时候，而且多个实例都会共享这个内存空间，这不就是单例模式要实现的功能吗？真是得来全不费功夫啊。根据这些知识，写出了第二种解决方案的代码，示例代码如下：
 

public class Singleton {
	//4：定义一个静态变量来存储创建好的类实例
	//直接在这里创建类实例，只会创建一次
	private static Singleton instance = new Singleton();
	//1：私有化构造方法，好在内部控制创建实例的数目
	private Singleton(){		
	}
	//2：定义一个方法来为客户端提供类实例
	//3：这个方法需要定义成类方法，也就是要加static
	//这个方法里面就不需要控制代码了
	public static Singleton getInstance(){
		//5：直接使用已经创建好的实例
		return instance;
	}
}

 

        注意一下，这个方案是用到了static的特性的，而第一个方案是没有用到的，因此两个方案的步骤会有一些不同，在第一个方案里面，强制加上static也是算作一步的，而在这个方案里面，是主动加上static，就不单独算作一步了。
         所以在查看上面两种方案的代码的时候，仔细看看编号，顺着编号的顺序看，可以体会出两种方案的不一样来。
         不管是采用哪一种方式，在运行期间，都只会生成一个实例，而访问这些类的一个全局访问点，就是那个静态的getInstance方法。

3：单例模式的调用顺序示意图
        由于单例模式有两种实现方式，那么它的调用顺序也分成两种。先看懒汉式的调用顺序，如图2所示：


                        图2  懒汉式调用顺序示意图

饿汉式的调用顺序，如图3所示：


                               图3  饿汉式调用顺序示意图

 

 

 

    未完待续

评论

23 楼 浪客剑心 2010-10-24  

chjavach 写道

已经修正，再次感谢   runshine ！

见过设计模式写得详细的，没有见过像楼主这么详细的，赞一个！
另外，一个小小建议：
   楼主在修改的地方，把修改前的内容保留，做一下注释，这样我们也可以对照着看一下。

像其他人一样期待楼主有更好的文章，不止设计模式方面的。

22 楼 chjavach 2010-09-13  

已经修正，再次感谢   runshine ！

21 楼 chjavach 2010-09-13  

runshine 写道

不错,说的很详细
不过关于单例模式的范围的描述可能有点偏差.
单例模式的范围是一个ClassLoader及其子ClassLoader而非整个JVM.
在这里我做了详细描述.
http://www.iteye.com/topic/753903

你说得很对,单例的范围是一个ClassLoader及其子ClassLoader，文中也提到了这一点。但是在写这篇文章的时候，只考虑了一个虚拟机一个ClassLoader的情况，所以就描述成JVM了，而一个虚拟机是可以有很多的ClassLoader的，因而文中的的描述是不够准确的。

谢谢你的指正，非常感谢！

20 楼 runshine 2010-09-09  

不错,说的很详细
不过关于单例模式的范围的描述可能有点偏差.
单例模式的范围是一个ClassLoader及其子ClassLoader而非整个JVM.
在这里我做了详细描述.
http://www.iteye.com/topic/753903

19 楼 lucky16 2010-09-08  

第一次看见有人解释设计模式这么详细的!
很感谢LZ精彩的文采和简单易懂的举例!

期待你的下一次更新,

顺便问一句楼主, 你觉得作为一个Java EE程序员, 必须熟练掌握的几种设计模式是  ?  ?

18 楼 found_method 2010-08-26  

kind790 写道

//线程安全-仅限懒汉模式
public static Singleton getInstance(){
    //先判断instance是否有值
    if(instance == null){
        synchronized (Singleton.class) {
            //如果没有值，说明还没有创建过实例，那就创建一个
    //并把这个实例设置给instance
            if(instance == null){
        instance = new Singleton ();
            }
        }
    }
    //如果有值，或者是创建了值，那就直接使用
    return instance;
}

你的这个写法不是真正的线程安全,if语句的执行不是原子的，synchronized要加在if语句前，或者方法声明处

17 楼 kind790 2010-08-18  

//线程安全-仅限懒汉模式
public static Singleton getInstance(){
    //先判断instance是否有值
    if(instance == null){
        synchronized (Singleton.class) {
            //如果没有值，说明还没有创建过实例，那就创建一个
    //并把这个实例设置给instance
            if(instance == null){
        instance = new Singleton ();
            }
        }
    }
    //如果有值，或者是创建了值，那就直接使用
    return instance;
}

16 楼 chjavach 2010-08-05  

juda 写道

楼主，上次有个哥们给你画了个图，那个工具你问到没？

问到了，是 edraw 也就是 亿图

15 楼 chjavach 2010-08-02  

juda 写道

楼主，上次有个哥们给你画了个图，那个工具你问到没？

我也是在评论里面问了一下,哪个哥们没有回,我再发信息问问看.

14 楼 langzhilongxing 2010-07-31  

相当清晰

13 楼 278611293 2010-07-31  

期盼、关注

12 楼 278611293 2010-07-31  

LZ 期待您的更新~

11 楼 babydeed 2010-07-30  

解释的相当好了！

10 楼 gstarwd 2010-07-30  

布衣九久 写道

这些问题都是比较明白的，最近困惑的是单例模式在多线程下的同步问题，

根据我的理解即使给getInstance方法加上了synchronized,线程的问题也依然存在。

希望楼主能在以后的文章里给出解释

恩~~这个问题je上也有很多讨论帖~

http://gstarwd.iteye.com/admin/blogs/692937
这个是我从ibmdevelop 那边转来的文章 你可以看看~~讲的很详细~

9 楼 gstarwd 2010-07-30  

我已经完全理解了~~谢谢lz

8 楼 布衣九久 2010-07-30  

这些问题都是比较明白的，最近困惑的是单例模式在多线程下的同步问题，

根据我的理解即使给getInstance方法加上了synchronized,线程的问题也依然存在。

希望楼主能在以后的文章里给出解释

7 楼 gstarwd 2010-07-30  

很精彩啊~~一步一步 引人入胜啊

6 楼 huxiaoqing 2010-07-29  

在je上第一次发表评论，谢谢lz，看了好几篇你的贴子，很不错，关注……

5 楼 queshouhui12 2010-07-29  

严重同意2楼的兄弟！

4 楼 juda 2010-07-29  

楼主，上次有个哥们给你画了个图，那个工具你问到没？