【java设计模式】之单例（Singleton）模式

亦凉 2022-06-11 07:59 122阅读 0赞

# 1. 单例模式的定义 #

单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其原始定义如下：Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类如下图所示：

![20160420213937713][]

Singleton类称为单例类，通过使用private的构造函数确保了在一个应用中只产生一个实例，并且是自行实例化的（在Singleton中自己new Singleton()）。单例模式的通用代码如下（这种也称为饿汉式单例）：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  /\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\* 单例模式：程序清单1 \*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
2.  **public** **class** Singleton \{  
3.      **private** **static** Singleton instance = **new** Singleton(); //1.自己内部new一个  
4.        
5.      **private** Singleton() \{ //2.私有构造函数，防止被实例化  
6.            
7.      \}  
8.      //3.提供一个公共接口，用来返回刚刚new出来的对象  
9.      **public** **static** Singleton getInstance() \{   
10.          **return** instance;  
11.     \}  
12.       
13.     **public** **void** test() \{  
14.         System.out.println("singleton");  
15.     \}  
16. \}  
17. /\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/

# 2. 单例模式存在的线程安全问题 #

上面是一个经典的单例模式程序，且这个程序不会产生线程同步问题，因为类第一次加载的时候就初始化了instance。但是单例模式还有其他的实现方式，就有可能会出现线程同步问题，请看下面的例子：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  /\* 
2.   \* 这种方式就是非线程安全了（懒汉式单例） 
3.   \*/  
4.  **public** **class** Singleton \{  
5.      **private** **static** Singleton instance = **null**;  
6.      **private** Singleton() \{  
7.            
8.      \}  
9.      **public** **static** Singleton getInstance() \{  
10.         **if**(instance == **null**) \{  
11.             instance = **new** Singleton();  
12.         \}  
13.         **return** instance;  
14.     \}  
15. \}

为什么会出现线程安全问题呢？假如一个线程A执行到instance = new Singleton()，但还没有获得对象（对象的初始化是需要时间的），第二个线程B也在执行，执行到判断instance == null时，那么线程B获得的条件也是真，于是也进入实例化instance了，然后线程A获得了一个对象，线程B也获得了一个对象，在内存中就存在了两个对象了！

解决线程安全问题的方法有很多，比如我们可以在getInstance()方法前面加上synchronized关键字来解决，如下：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  **public** **static** **synchronized** Singleton getInstance() \{    
2.          **if** (instance == **null**) \{    
3.              instance = **new** Singleton();    
4.          \}    
5.          **return** instance;    
6.  \}

但是synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()时都要对对象上锁。事实上，只要在第一次创建对象的时候加锁，后面创建完了就不需要了，所以我们可以做进一步的改进，如下：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  **public** **static** Singleton getInstance() \{    
2.          **if** (instance == **null**) \{    
3.              **synchronized** (instance) \{    
4.                  **if** (instance == **null**) \{    
5.                      instance = **new** Singleton();    
6.                  \}    
7.              \}    
8.          \}    
9.          **return** instance;    
10. \}

我们将synchronized关键字加到内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance == null的时候且创建对象的时候再加锁，这样要比上面的那种方式好。但是这种方式还是有可能会产生线程安全问题，因为JVM中创建对象和赋值操作是分开进行的，即instance = new Singleton()这句是分两步进行的。过程是这样的：JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存，并赋值给instance成员，但是此时JVM并没有开始初始化这个实例，然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了，比如A线程进入synchronized代码块了，执行完了instance = new Singleton()后退出代码块，但是此时还没有真正初始化，这是线程B进来了，发现instance不为null，于是就立马返回该instance（其实是没有初始化好的），然后B就开始使用该instance，却发现没初始化，于是就出问题了。

所以要解决这种“懒汉式”单例的线程问题，一种建议使用上面的程序清单1的方式，即使用”饿汉式“单例。另一种，在实际中，也可以用内部类来维护单例的实现。JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样，当我们第一次调用getInstance()方法的时候，JVM能够帮我们保证instance实例只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，见如下代码：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  /\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\* 单例模式：程序清单2 \*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
2.  **public** **class** Singleton \{      
3.      **private** Singleton() \{  //私有构造方法，防止被实例化  
4.      \}    
5.      
6.      /\*使用一个内部类来维护单例 \*/    
7.      **private** **static** **class** SingletonFactory \{    
8.          **private** **static** Singleton instance = **new** Singleton();    
9.      \}    
10.     
11.     **public** **static** Singleton getInstance() \{  //获取实例  
12.         **return** SingletonFactory.instance;    
13.     \}    
14.     
15.     /\* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 \*/    
16.     **public** Object readResolve() \{    
17.         **return** getInstance();    
18.     \}     
19. \}  
20. /\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/

# 3.单例模式的克隆 #

上面分析了单例模式的线程安全问题，还有个问题就是需要考虑单例模式中对象的复制问题。在[Java][]中，对象默认是不可以被复制的，但是若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制不是调用类的构造方法，所以即使是私有的构造方法，对象仍然是可以被复制的。但是在一般情况下，单例类很少会主动要求被复制的，所以解决该问题最好的方法就是单例类不要实现Cloneable接口即可。

# 4. 单例模式的扩展 #

如果一个类可以产生多个对象且数量不受限制，是非常容易的，直接new就是了。但是如果使用单例模式，但是要求一个类真能产生两三个对象呢？这种情况该如何实现？针对这种情况，我们就需要在单例类中维护一个变量，用来表示实例的个数，而且还需要一些容器来保存不同的实例以及实例对应的属性，如下：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  /\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\* 单例模式的扩展：程序清单3 \*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
2.  **public** **class** Singleton \{  
3.      //定义最多能产生的实例数量  
4.      **private** **static** **int** maxNumOfInstance = 3;  
5.        
6.      //存储每个实例的名字  
7.      **private** **static** ArrayList<String> nameList = **new** ArrayList<String>();  
8.        
9.      //存储每个实例对象  
10.     **private** **static** ArrayList<Singleton> instanceList = **new** ArrayList<Singleton>();  
11.       
12.     //当前实例的索引  
13.     **private** **static** **int** indexOfInstance = 0;  
14.       
15.     //静态代码块，在类加载的时候初始化2个实例  
16.     **static** \{  
17.         **for**(**int** i = 0; i < maxNumOfInstance; i++) \{  
18.             instanceList.add(**new** Singleton("instance" + (i+1)));  
19.         \}  
20.     \}  
21.       
22.     **private** Singleton() \{  
23.           
24.     \}  
25.     **private** Singleton(String name) \{ //带参数的私有构造函数  
26.         nameList.add(name);  
27.     \}  
28.       
29.     //返回实例对象  
30.     **public** **static** Singleton getInstance() \{  
31.         Random random = **new** Random();  
32.         //随机挑选一个实例  
33.         indexOfInstance = random.nextInt(maxNumOfInstance);  
34.         **return** instanceList.get(indexOfInstance);  
35.     \}  
36.     **public** **void** test() \{  
37.         System.out.println(nameList.get(indexOfInstance));  
38.     \}  
39. \}  
40. /\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/

我们写一个测试程序看看结果就知道了：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  **public** **class** SingletonTest \{  
2.    
3.      **public** **static** **void** main(String\[\] args) \{  
4.          **int** num = 5;  
5.          **for**(**int** i = 0; i < num; i++) \{  
6.              Singleton instance = Singleton.getInstance();  
7.              instance.test();  
8.          \}  
9.      \}  
10. \}

这样我们就实现了用单例模式产生固定数量的实例。测试结果输出如下：

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  instance1  
2.  instance1  
3.  instance2  
4.  instance3  
5.  instance3

# 5. 单例模式的优缺点 #

优点：

1.在内存中只存在一个实例，所有减小诶村的开支，特别是一个对象需要频繁的创建和销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显；

2.减小了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留在内存中。

3.可以避免对资源的多重占用，如写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。

4.单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

缺点：

1.单例模式没有接口，扩展很难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现

2.单例模式对[测试][Link 1]是不利的，在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的。

# 6. 单例模式的应用场景 #

在一个系统中，要求一个类仅有一个对象时，可以采用单例模式：

1. 要求生成唯一序列号的环境。

2. 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个web页面上的访问量，可以不用每次刷新都把记录存到[数据库][Link 2]，但是要确保单例线程安全。

3. 创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源。

4. 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式，当然也可以直接声明为static方式。

[spring][]中也用到了单例模式，每个Bean默认就是单例的，这样做的有点事Spring容器可以管理这些Bean的生命期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候要如何处理等等。如果采用非单例模式（Prototype类型），则Bean初始化后的管理交给J2EE容器了，Spring容器就不在跟踪管理Bean的生命周期了。

单例模式就讨论这么多吧，如有错误之处，欢迎留言指正~

相关阅读：[http://blog.csdn.net/column/details/des-pattern.html][http_blog.csdn.net_column_details_des-pattern.html]

[20160420213937713]: /images/20220611/9976e5a4fe9b4c11ab36c0a68cdc0c82.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/eson_15/article/details/51203993#
[Java]: http://lib.csdn.net/base/java
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/softwaretest
[Link 2]: http://lib.csdn.net/base/mysql
[spring]: http://lib.csdn.net/base/javaee
[http_blog.csdn.net_column_details_des-pattern.html]: http://blog.csdn.net/column/details/des-pattern.html

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