23种设计模式之单例模式-Singleton

单例模式 Singleton

1、意图

创建型模式：提供创建对象的机制，增加已有代码的灵活性和可复用性

单例模式是一种创建型设计模式，让你能够保证一个类只有一个实例，并提供一个访问该实例的全局节点。

问题

保证一个类只有一个实例

为什么会有人想要控制一个类所拥有的实例数量？最常见的原因是控制某些共享资源（例如数据库或文件）的访问权限。Spring的controller类默认是单例的，在程序启动时会创建一个controller单例，每次request请求访问的都是同一个controller实例。

它的运作方式是这样的：如果你创建了一个对象，同时过一会儿后你决定再创建一个新对象，此时你会获得之前已创建的对象，而不是一个新对象。
为该实例提供一个全局访问节点

和全局变量一样，单例模式也允许在程序的任何地方访问特定对象。但是它可以保护该实例不被其他代码覆盖。

解决方案

所有单例的实现都包含以下两个相同的步骤：

将默认构造函数设为私有，防止其他对象使用单例类的 new运算符。
新建一个静态构建方法作为构造函数。该函数会 “偷偷” 调用私有构造函数来创建对象，并将其保存在一个静态成员变量中。此后所有对于该函数的调用都将返回这一缓存对象。

真实世界类比

政府是单例模式的一个很好的示例。一个国家只有一个官方政府。不管组成政府的每个人的身份是什么， “某政府” 这一称谓总是鉴别那些掌权者的全局访问节点。

单例模式结构

伪代码

在本例中，数据库连接类即是一个单例。该类不提供公有构造函数，因此获取该对象的唯一方式是调用 获取实例方法。该方法将缓存首次生成的对象，并为所有后续调用返回该对象。

// 数据库类会对`getInstance（获取实例）`方法进行定义以让客户端在程序各处
// 都能访问相同的数据库连接实例。
class Database is
    // 保存单例实例的成员变量必须被声明为静态类型。
    private static field instance: Database

    // 单例的构造函数必须永远是私有类型，以防止使用`new`运算符直接调用构
    // 造方法。
    private constructor Database() is
        // 部分初始化代码（例如到数据库服务器的实际连接）。
        // ...

    // 用于控制对单例实例的访问权限的静态方法。
    public static method getInstance() is
        if (Database.instance == null) then
            acquireThreadLock() and then
                // 确保在该线程等待解锁时，其他线程没有初始化该实例。
                if (Database.instance == null) then
                    Database.instance = new Database()
        return Database.instance

    // 最后，任何单例都必须定义一些可在其实例上执行的业务逻辑。
    public method query(sql) is
        // 比如应用的所有数据库查询请求都需要通过该方法进行。因此，你可以
        // 在这里添加限流或缓冲逻辑。
        // ...

class Application is
    method main() is
        Database foo = Database.getInstance()
        foo.query("SELECT ...")
        // ...
        Database bar = Database.getInstance()
        bar.query("SELECT ...")
        // 变量 `bar` 和 `foo` 中将包含同一个对象。

单例模式适用场景

如果程序中的某个类对于所有客户端只有一个可用的实例，可以使用单例模式。
如果你需要更加严格地控制全局变量，可以使用单例模式。

单例模式与全局变量不同，它保证类只存在一个实例。除了单例类自己以外，无法通过任何方式替换缓存的实例。

请注意，你可以随时调整限制并设定生成单例实例的数量，只需修改 获取实例方法，即 getInstance 中的代码即可实现。

实现方式

在类中添加一个私有静态成员变量用于保存单例实例。
声明一个公有静态构建方法用于获取单例实例。
在静态方法中实现”延迟初始化”。该方法会在首次被调用时创建一个新对象，并将其存储在静态成员变量中。此后该方法每次被调用时都返回该实例。
将类的构造函数设为私有。类的静态方法仍能调用构造函数，但是其他对象不能调用。
检查客户端代码，将对单例的构造函数的调用替换为对其静态构建方法的调用。

优缺点

违反“单一职责”原则，指的是多个线程（客户端）共享单个调用类实例处理业务，按常理应该是每个客户端应该new一个调用类实例处理业务的，这叫做单一职责。

与其他模式的关系

1）外观模式类通常可以转换单例模式类，因为在大部分情况下一个外观对象就足够了。

2）如果你能将对象的所有共享状态简化为一个享元对象，那么享元模式就和单例类似了。但这两个模式有两个根本性的不同。

只会有一个单例实体，但是享元类可以有多个实体，各实体的内在状态也可以不同。
单例对象可以是可变的。享元对象是不可变的。

2、四种写法

简单点说，就是一个应用程序中，某个类的实例对象只有一个，你没有办法去new，因为构造器是被private修饰的，一般通过getInstance()的方法来获取它们的实例。

getInstance()的返回值是一个对象的引用，并不是一个新的实例，所以不要错误的理解成多个对象。单例模式实现起来也很容易，直接看demo吧

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

按照我的习惯，我恨不得写满注释，怕你们看不懂，但是这个代码实在太简单了，所以我没写任何注释，如果这几行代码你都看不明白的话，那你可以洗洗睡了，等你睡醒了再来看我的博客说不定能看懂。

上面的是最基本的写法，也叫懒汉写法（线程不安全）下面我再公布几种单例模式的写法：

懒汉式写法（线程安全）-加同步锁

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

饿汉式写法

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

静态内部类

public class Singleton {
  private static class SingletonHolder {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
  }
  private Singleton() {}
  public static final Singleton getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }
}

双重校验锁DCL

public class Singleton {
  private volatile static Singleton singleton;
  private Singleton() {}
  public static Singleton getInstance() {
    if (singleton == null) { // 减少竞争锁的线程
      synchronized (Singleton.class) {
        if (singleton == null) {
          singleton = new Singleton();
        }
      }
    }
    return singleton;
  }
}

我个人比较喜欢静态内部类写法和饿汉式写法，其实这两种写法能够应付绝大多数情况了。其他写法也可以选择，主要还是看业务需求吧。