设计模式之单例设计模式

读《秒懂设计模式总结》

单例模式(Singleton)是一种非常简单且容易理解的设计模式。顾名思义，单例即单一的实例，确切地讲就是指在某个系统中只存在一个实例，同时提供集中、统一的访问接口，以使系统行为保持协调一致。singleton一词在逻辑学中指“有且仅有一个元素的集合”，这非常恰当地概括了单例的概念，也就是“一个类仅有一个实例”。

2.1 孤独的太阳盘古开天，造日月星辰。

从“夸父逐日”到“后羿射日”，太阳对于我们的先祖一直具有着神秘的色彩与非凡的意义。随着科学的不断发展，我们逐渐揭开了太阳系的神秘面纱。我们可以把太阳系看作一个庞大的系统，其中有各种各样的对象存在，丰富多彩的实例造就了系统的美好。这个系统里的某些实例是唯一的，如我们赖以生存的恒星太阳。

与其他行星或卫星不同的是，太阳是太阳系内唯一的恒星实例，它持续提供给地球充足的阳光与能量，离开它地球就不会有今天的勃勃生机，但倘若天上有9个太阳，那么将会带来一场灾难。太阳东升西落，循环往复，不多不少仅此一例。

2.2 饿汉造日

既然太阳系里只有一个太阳，我们就需要严格把控太阳实例化的过程。我们从最简单的开始，先来写一个Sun类。请参看代码 。

public class Sun {}

太阳类Sun中目前什么都没有。接下来我们得确保任何人都不能创建太阳的实例，否则一旦程序员调用代码“new Sun()”，天空就会出现多个太阳，便又需要“后羿”去解决了。有些读者可能会疑惑，我们并没有写构造器，为什么太阳还可以被实例化呢？这是因为Java可以自动为其加上一个无参构造器。为防止太阳实例泛滥将世界再次带入灾难，我们必须禁止外部调用构造器，请参看代码

public class Sun {private void Sun(){} // 构造器私有化
}

我们在第3行将太阳类Sun的构造方法设为private，使其私有化，如此一来太阳类就被完全封闭了起来，实例化工作完全归属于内部事务，任何外部类都无权干预。既然如此，那么我们就让它自己创建自己，并使其自有永有

public class Sun {private static final Sun sun = new Sun();public Sun() {} // private constructor  
}

代码第3行中“private”关键字确保太阳实例的私有性、不可见性和不可访问性；而“static”关键字确保太阳的静态性，将太阳放入内存里的静态区，在类加载的时候就初始化了，它与类同在，也就是说它是与类同时期且早于内存堆中的对象实例化的，该实例在内存中永生，内存垃圾收集器(Garbage Collector, GC)也不会对其进行回收；“final”关键字则确保这个太阳是常量、恒量，它是一颗终极的恒星，引用一旦被赋值就不能再修改；最后，“new”关键字初始化太阳类的静态实例，并赋予静态常量sun。这就是“饿汉模式”(eager initialization)，即在初始阶段就主动进行实例化，并时刻保持一种渴求的状态，无论此单例是否有人使用。单例的太阳对象写好了，可一切皆是私有的，外部怎样才能访问它呢？正如同程序入口的静态方法main()，它不需要任何对象引用就能被访问，我们同样需要一个静态方法getInstance()来获取太阳的单例对象，同时将其设置为“public”以暴露给外部使用

public class Sun {private static final Sun sun = new Sun();public Sun() {} // private constructorpublic static Sun getInstance(){return sun;}
}

太阳单例类的雏形已经完成了，对外部来说只要调用Sun.getInstance()就可以得到太阳对象了，并且不管谁得到，或是得到几次，得到的都是同一个太阳实例，这样就确保了整个太阳系中恒星太阳的唯一合法性，他人无法伪造。当然，读者还可以添加其他功能方法，如发光和发热等，此处就不再赘述了。

2.3 懒汉的队伍

至此，我们已经学会了单例模式的“饿汉模式”，让太阳一开始就准备就绪，随时供应免费日光。然而，如果始终没人获取日光，那岂不是白造了太阳，一块内存区域被白白地浪费了？这正类似于商家货品滞销的情况，货架上堆放着商品却没人买，白白浪费空间。因此，商家为了降低风险，规定有些商品必须提前预订，这就是“懒汉模式”(lazy initialization)。沿着这个思路，我们继续对太阳类进行改造

public class Sun {private static Sun sun = new Sun();public Sun() {} // private constructorpublic static Sun getInstance(){if (null == sun) {sun = new Sun(); //沒有sun才构造}return sun;}
}

可以看到我们一开始并没有造太阳，所以去掉了关键字final，只有在某线程第一次调用第9行的getInstance()方法时才会运行对太阳进行实例化的逻辑代码，之后再请求就直接返回此实例了。这样的好处是如无请求就不实例化，节省了内存空间；而坏处是第一次请求的时候速度较之前的饿汉初始化模式慢，因为要消耗CPU资源去临时造这个太阳（即使速度快到可以忽略不计）。这样的程序逻辑看似没问题，但其实在多线程模式下是有缺陷的。试想如果是并发请求的话，程序第10行的判空逻辑就会同时成立，这样就会多次实例化太阳，并且对sun进行多次赋值（覆盖）操作，这违背了单例的理念。我们再来改良一下，把请求方法加上synchronized（同步锁）让其同步，如此一来，某线程调用前必须获取同步锁，调用完后会释放锁给其他线程用，也就是给请求排队，一个接一个按顺序来

public class Sun {private static Sun sun = new Sun();public Sun() {} // private constructorpublic static synchronized Sun getInstance(){if (null == sun) {sun = new Sun(); //沒有sun才构造}return sun;}
}

我们将太阳类Sun中第9行的getInstance()改成了同步方法，如此可避免多线程陷阱。然而这样的做法是要付出一定代价的，试想，线程还没进入方法内部便不管三七二十一直接加锁排队，会造成线程阻塞，资源与时间被白白浪费。我们只是为了实例化一个单例对象而已，犯不上如此兴师动众，使用synchronized让所有请求排队等候。所以，要保证多线程并发下逻辑的正确性，同步锁一定要加得恰到好处，其位置是关键所在

public class Sun {private volatile static Sun sun = new Sun();public Sun() {} // private constructorpublic static Sun getInstance(){if (null == sun) {synchronized (Sun.class) {if(null == sun){sun = new Sun(); //沒有sun才构造,只有第一次才构造 保证线程安全}}}return sun;}
}

我们在太阳类Sun中第3行对sun变量的定义不再使用find关键字，这意味着它不再是常量，而是需要后续赋值的变量；而关键字volatile对静态变量的修饰则能保证变量值在各线程访问时的同步性、唯一性。需要特别注意的是，对于第9行的getInstance()方法，我们去掉了方法上的关键字synchronized，使大家都可以同时进入方法并对其进行开发。请仔细阅读每行代码的注释，有些人（线程）起早就是为了观看日出，那么这些人会通过第10行的判空逻辑进入观日台。而在第11行我们又加上了同步块以防止多个线程进入，这就类似于观日台是一个狭长的走廊，大家排队进入。随后在第12行我们又进行一次判空逻辑，这就意味着只有队伍中的第一个人造了太阳，有幸看到了日出的第一缕阳光，而后面的人则统统离开，直到第17行得到已经造好的太阳

随后发生的事情我们就可以预见了，太阳高高升起，实例化操作完毕，起晚的人们都无须再进入观日台，直接获取太阳实例就可以了，阳光普照大地，将温暖洒向人间。大家注意到没有，我们一共用了2个嵌套的判空逻辑，这就是懒加载模式的“双检锁”：外层放宽入口，保证线程并发的高效性；内层加锁同步，保证实例化的单次运行。如此里应外合，不仅达到了单例模式的效果，还完美地保证了构建过程的运行效率，一举两得。

2.4 大道至简

相比“懒汉模式”，其实在大多数情况下我们通常会更多地使用“饿汉模式”，原因在于这个单例迟早是要被实例化占用内存的，延迟懒加载的意义并不大，加锁解锁反而是一种资源浪费，同步更是会降低CPU的利用率，使用不当的话反而会带来不必要的风险。越简单的包容性越强，而越复杂的反而越容易出错。我们来看单例模式的类结构，如图2-3所示。单例模式的角色定义如下。

■ Singleton（单例）：包含一个自己的类实例的属性，并把构造方法用private关键字隐藏起来，对外只提供getInstance()方法以获得这个单例对象。

除了“饿汉”与“懒汉”这2种单例模式，其实还有其他的实现方式。但万变不离其宗，它们统统都是由这2种模式发展、衍生而来的。我们都知道Spring框架中的IoC容器很好地帮我们托管了业务对象，如此我们就不必再亲自动手去实例化这些对象了，而在默认情况下我们使用的正是框架提供的“单例模式”。诚然，究其代码实现当然不止如此简单，但我们应该追本溯源，抓住其本质的部分，理解其核心的设计思想，再针对不同的应用场景做出相应的调整与变动，结合实践举一反三。