Singleton模式

Singleton的意思即是独身，也就是只有一个人，应用在OO上，通常译作单例：只有一个实例（Instance）。
很多时候，你会需要Singleton模式，例如打印机管理，你希望程序中只能有一个PrintSpooler，以避免两个打印动作同时如入到打印机中；又例如数据库管理，因为建立连接对象会消耗资源，你希望程序中只能有一个连接对象，所有的其他程序都透过这个对象来连接数据库，以避免连接对象的重复初始化造成资源的消耗。
以打印机的设计为例，有的设计人员会采用全局变量来建立实例，并在程序中随机去用这个实例，Java虽然不支持全局变量，但透过将对象包装在一个类里面，也有人采用这样的写法：

public class PrintSpooler {
    public PrintSpooler() {
        // ....
    }

    public Connection getSpooler(){
       ....
    }
}

 public class GlobalObject {
    private PrintSpooler printSpooler;
    public GlobalObject () {
        printSpooler = new PrintSpooler();
        ...
    }
   
    public void getPrintSpooler() {
        return printSpooler;
    }
 }

无乱全局变量还是以上的例子，都无法保证只产生唯一的实例，也许你不会犯这个错误，但与你共同工作的伙伴也许会直觉的使用这种方法来产生一个PrintSpooler实例。

Singleton模式可以保证一个类只有一个实例，并提供一个访问这个实力的方法。
一个Singleton实现好比Java中的java.lang.Runtime类，每个Java程序运行时都有一个唯一的Runtime对象，可以透过它提供的静态方法getRuntime()来取得这个对象，例如：

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

取得Runtime对象之后，你可以透过它尽心一些外部命令的执行、进行垃圾处理等指令，你可以查看Runtime.java类的源码，开头的几行是这样写的：

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

   /** Don't let anyone else instantiate this class */
   private Runtime() {}

    // 以下略
}

以上的结构即采用Singleton模式设计，其结构使用UML来表示如下：

如上所示，使用静态工厂来取得Runtime对象，其中Runtime的构造函数被声明为private，这样就可以组织其他人使用构造函数来建立实例；使用更一般化的表示单例的UML结构，如下图所示：


有几个实现以上结构的方法，可以再第一次需要实例是再建立对象，也就是采用所谓的Lazy Initialization：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
        // ....
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }

        return instance;
    }

    // .. 其它实现
}

以上实现使用于单线程的程序，在多线程的程序下，以下的写法在多个线程的竞争资源下，将让有可能产生两个以上的实例，例如以下情况：

Thread1: if(instance == null) // true
Thread2: if(instance == null) // true

Thread1: instance = new Singleton(); // 产生一个实例
Thread2: instance = new Singleton(); // 又产生一个实例

Thread1: return instance; // 又返回一个实例
Thread2: return instance; // 又返回一个实例

在多线程的环境下，为了避免竞争资源，加上同步（synchronized）机制：

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

不过这种简单的写法不适合用于像服务器这种多线程的程序上，同步机制会造成相当的性能低下，为了估计Singleton、Lazy Initialization的效率问题，因而有了Double-check Locking的模式：

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

Java中的Runtime类的做法就简单得多了，它舍弃了Lazy Initialization，如果你的实例初始化不需要很长时间的话，可以使用这种方式：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
        // ....
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // 其它实现
}

评论

2 楼 河蟹骑士 2009-04-01  

无乱全局变量还是以上的例子，都无法保证只产生唯一的实例，也许你不会犯这个错误，但与你共同工作的伙伴也许会直觉的使用这种方法来产生一个PrintSpooler实例。

1 楼 河蟹骑士 2009-04-01  

今天还算不错，只看到一个错别字。还学到了一个新的单例写法，MM加油啊！