设计模式笔记05-单件模式

1 引言

单件模式（Singleton Pattern），又叫单例模式：用来创建独一无二的，只能有一个实例的对象的入场卷。单件模式的类图可以说是所有模式的类图中最简单的，事实上，它的类图上只有一个类！但是，可不要兴奋过头，尽管从类设计的视角来说它很简单，但是实现上还是会遇到相当多的波折。

2 正文

2.1 单件模式与全局变量

有些对象其实我们只需要一个，比方说：线程池（Threadpool）、缓存（Cache）、对话框、处理偏好设置和注册表（Registry）的对象、日志对象，充当打印机、显卡等设备的驱动程序的对象。事实上，这类对象只能有一个实例，如果制造出多个实例，就会导致许多问题产生，例如：程序的行为异常、资源使用过量，或者是不一致的结果。

许多时候，的确通过程序员之间的约定就可以办到。但如果有更好的做法，大家应该都乐意接受。别忘了，就跟其他模式一样，单件模式是经得起时间考验的方法，可以确保只有一个实例会被创建。单件模式也给了我们一个全局的访问点，和全局变量一样方便，又没有全局变量的缺点。

举例来说：如果将对象赋值给一个全局变量，那么你必须在程序一开始就创建好对象（这其实和实现有关，有些JVM的实现是：在用到的时候才创建对象），对吧？万一这个对象非常消耗资源，而程序在这次的执行过程中又一直没有用到它，不久形成浪费了吗？稍后你会看到，利用单件模式，我们可以在需要时才创建对象。

利用静态类变量、静态方法和适当的访问修饰符（Access Modifier），你的确可以做到这一点。但是，不管使用哪一种方法，能够了解单件模式的运作方式仍然是很有趣的事。单件模式听起来简单，要做得对可不简单。不信问问你自己：要如何保证一个对象只能被实例化一次？

2.2 建立一个简单的单件模式

代码如下

//注意：此类非线程安全！
public class Singleton {
	
	//利用一个静态变量来记录Singleton类的唯一实例
	private static Singleton uniqueInstance;
 
	//把构造器声明为私有的，只有在Singleton类内才可以调用构造器
	private Singleton() {}
 
	//用getInstance()方法实例化对象，并返回这个实例
	public static Singleton getInstance() {
		/*
		 * 如果实例不存在，我们就利用私有的构造器产生一个Singleton实例并把它复制到uniqueInstance静态变量中。
		 * 请注意，如果我们不需要这个实例，它就永远不会产生。这就是“延迟实例化”（LazyInstance）。
		 */
		if (uniqueInstance == null) {
			uniqueInstance = new Singleton();
		}
		//当然Singleton是一个正常的类，具有一些其他用途的实例变量和方法
		return uniqueInstance;
	}
 
	// other useful methods here
}

大家可以思考下到底为什么这个是时非线程安全？

2.3 定义单件模式

单件模式：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

让我们更深入一点：

1、我们正在把某个类设计成自己管理的一个单独实例，同时也避免其他类再自行产生实例。要想取得单件实例，通过单件类全局访问点是唯一途径。

2、全局访问点：当你需要实例时，向类查询，他会返回单个实例。前面的例子利用延迟实例化的方式创建单件，这种做法对资源敏感的对象特别重要。

2.4 处理多线程

只要把getInstance()编程同步（Synchronized）方法，多线程灾难几乎就可以轻易解决了。通过增加Synchronized关键字到getInstance()方法中，我们迫使每个线程在进入这个方法之前，要先等候别的线程离开该方法。也就是说，不会有两个线程可以同时使用这个方法。

但是同步会降低性能，这不又是另一个问题吗？说的很对，的确有一点不好。而比你所想象的还要严重一些的是：只有第一次执行此方法时，才真正需要同步。换句话说，一旦设置好uniqueInstance变量，就不再需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法，同步都是一种累赘。

可以有一些选择：

1、如果getInstance()的性能对应用程序不是很关键，就什么都别做。

2、使用“急切”创建实例，而不用延迟实例化的做法。

如果应用程序总是创建并使用单件实例，或者在创建和运行时方面的负担不太繁重，你可能想要急切（eagerly)创建此单件，如下所示

public class Singleton {
	//在静态初始化器（static initializer)中创建单件。这段代码保证了线程安全（Thread Safe)。
	private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
 
	private Singleton() {}
 
	public static Singleton getInstance() {
		//已经有实例了，直接用它
		return uniqueInstance;
	}
}

3、用“双重检查加锁”（double-checked locking)，首先检查是否实例已经创建了，如果尚未创建，“才“进行同步。这样依赖，只有第一次回同步，这正是我们想要的。

来看看代码：

public class Singleton {
	//volatile关键词确保：当uniqueInstance变量被初始化成Singleton实例时，多个线程正确地处理uniqueInstance变量
	private volatile static Singleton uniqueInstance;
 
	private Singleton() {}
 
	public static Singleton getInstance() {
		//检查实例，如果存在，就进入同步区块
		if (uniqueInstance == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				//进入区块后，再检查一次，如果仍是null，才创建实例。
				if (uniqueInstance == null) {
					uniqueInstance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return uniqueInstance;
	}
}

3 本章小结

本章应该是已学习的设计模式中最简短的一章，也正如单例模式的使用频率一样，在程序中不会大量使用。

谨记：在Java中实现单件模式需要三个组成部分：私有的构造器、一个静态方法和一个静态变量。