单例模式

Published on 2016 - 06 - 05

单例模式的定义

单例模式(Singleton Pattern)是一个比较简单的模式,其定义如下:

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.(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。)

单例模式的通用类图如图2所示。

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中自己使用new Singleton())。单例模式的通用源代码如代码清单3所示。

public class Singleton {
     private static final Singleton singleton = new Singleton();        
     //限制产生多个对象
     private Singleton(){
     }
     //通过该方法获得实例对象
     public static Singleton getSingleton(){
             return singleton;
     }  
     //类中其他方法,尽量是static
     public static void doSomething(){
     }
}

单例模式的应用

单例模式的优点

  • 由于单例模式在内存中只有一个实例,减少了内存开支,特别是一个对象需要频繁地创建、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。
  • 由于单例模式只生成一个实例,所以减少了系统的性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生其他依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后用永久驻留内存的方式来解决(在Java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制)。
  • 单例模式可以避免对资源的多重占用,例如一个写文件动作,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。
  • 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。

单例模式的缺点

  • 单例模式一般没有接口,扩展很困难,若要扩展,除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢?因为接口对单例模式是没有任何意义的,它要求“自行实例化”,并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然,在特殊情况下,单例模式可以实现接口、被继承等,需要在系统开发中根据环境判断。
  • 单例模式对测试是不利的。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,没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
  • 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑,而不关心它是否是单例的,是不是要单例取决于环境,单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景

在一个系统中,要求一个类有且仅有一个对象,如果出现多个对象就会出现“不良反应”,可以采用单例模式,具体的场景如下:

  • 要求生成唯一序列号的环境;
  • 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页面上的计数器,可以不用把每次刷新都记录到数据库中,使用单例模式保持计数器的值,并确保是线程安全的;
  • 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;
  • 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的方式)。

单例模式的注意事项

首先,在高并发情况下,请注意单例模式的线程同步问题。单例模式有几种不同的实现方式,上面的例子不会出现产生多个实例的情况,但是如代码清单4所示的单例模式就需要考虑线程同步。

public class Singleton {
     private static Singleton singleton = null; 
     //限制产生多个对象
     private Singleton(){
     }  
     //通过该方法获得实例对象
     public static Singleton getSingleton(){
             if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
             }
             return singleton;
     }
}

该单例模式在低并发的情况下尚不会出现问题,若系统压力增大,并发量增加时则可能在内存中出现多个实例,破坏了最初的预期。为什么会出现这种情况呢?如一个线程A执行到singleton = new Singleton(),但还没有获得对象(对象初始化是需要时间的),第二个线程B也在执行,执行到(singleton == null)判断,那么线程B获得判断条件也是为真,于是继续运行下去,线程A获得了一个对象,线程B也获得了一个对象,在内存中就出现两个对象!

解决线程不安全的方法很有多,可以在getSingleton方法前加synchronized关键字,也可以在getSingleton方法内增加synchronized来实现,但都不是最优秀的单例模式,建议读者使用如代码清单3所示的方式。

综述

单例模式是23个模式中比较简单的模式,应用也非常广泛,如在Spring中,每个Bean默认就是单例的,这样做的优点是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初始化后的管理交由J2EE容器,Spring容器不再跟踪管理Bean的生命周期。

参考文档