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单例

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保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

单例模式(Singleton)的目的是为了保证在一个进程中,某个类有且仅有一个实例。

因为这个类只有一个实例,因此,自然不能让调用方使用new Xyz()来创建实例了。所以,单例的构造方法必须是private,这样就防止了调用方自己创建实例,但是在类的内部,是可以用一个静态字段来引用唯一创建的实例的:

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

那么问题来了,外部调用方如何获得这个唯一实例?

答案是提供一个静态方法,直接返回实例:

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 通过静态方法返回实例:
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

或者直接把static变量暴露给外部:

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

所以,单例模式的实现方式很简单:

  1. 只有private构造方法,确保外部无法实例化;
  2. 通过private static变量持有唯一实例,保证全局唯一性;
  3. 通过public static方法返回此唯一实例,使外部调用方能获取到实例。

Java标准库有一些类就是单例,例如Runtime这个类:

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

有些童鞋可能听说过延迟加载,即在调用方第一次调用getInstance()时才初始化全局唯一实例,类似这样:

public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE = null;

    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton();
        }
        return INSTANCE;
    }

    private Singleton() {
    }
}

遗憾的是,这种写法在多线程中是错误的,在竞争条件下会创建出多个实例。必须对整个方法进行加锁:

public synchronized static Singleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
        INSTANCE = new Singleton();
    }
    return INSTANCE;
}

但加锁会严重影响并发性能。还有些童鞋听说过双重检查,类似这样:

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

然而,由于Java的内存模型,双重检查在这里不成立。要真正实现延迟加载,只能通过Java的ClassLoader机制完成。如果没有特殊的需求,使用Singleton模式的时候,最好不要延迟加载,这样会使代码更简单。

另一种实现Singleton的方式是利用Java的enum,因为Java保证枚举类的每个枚举都是单例,所以我们只需要编写一个只有一个枚举的类即可:

public enum World {
    // 唯一枚举:
	INSTANCE;

	private String name = "world";

	public String getName() {
		return this.name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
}

枚举类也完全可以像其他类那样定义自己的字段、方法,这样上面这个World类在调用方看来就可以这么用:

String name = World.INSTANCE.getName();

使用枚举实现Singleton还避免了第一种方式实现Singleton的一个潜在问题:即序列化和反序列化会绕过普通类的private构造方法从而创建出多个实例,而枚举类就没有这个问题。

那我们什么时候应该用Singleton呢?实际上,很多程序,尤其是Web程序,大部分服务类都应该被视作Singleton,如果全部按Singleton的写法写,会非常麻烦,所以,通常是通过约定让框架(例如Spring)来实例化这些类,保证只有一个实例,调用方自觉通过框架获取实例而不是new操作符:

@Component // 表示一个单例组件
public class MyService {
    ...
}

因此,除非确有必要,否则Singleton模式一般以“约定”为主,不会刻意实现它。

练习

使用两种Singleton模式实现单例:

Singleton练习

小结

Singleton模式是为了保证一个程序的运行期间,某个类有且只有一个全局唯一实例;

Singleton模式既可以严格实现,也可以以约定的方式把普通类视作单例。


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