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Publish Date:   2023-12-29

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周 明耀

发布: 2015-05-04

单例模式

首先我们来讲一个故事。二次世界大战的时候，我国有一个著名的战役叫“长沙保卫战”，中国军队指挥官薛岳将军率领第 9 战区十余万将士，通过所谓的“焦土”战术 4 次瓦解日军的大规模进攻，给对当时的国民党政府打了一针强心剂。这四次战役中最让人我难忘的一幕是，面对单兵战斗力是中国军队 5 倍的日军，人数上虽然占据一定优势，但是只有第 10 军和第 74 军两只军队装备了现代化的军械，其余军队都是“汉阳造”的落后装备。薛将军命令第 10 军反复在湘北、赣北多处出阵地来回穿插，面对东西方向出现的多路敌军，帮助装备落后的部队一起防守阵地，让敌人误以为是多支部队，其实薛岳将军只是调动了同一支部队，正是这一单一实例的对象 (第 10 军) 在各个战场均发挥出了显著的作用，为第二次长沙战役的全面获胜起了至关重要的作用。

回到我们的主题。考虑这样一个应用，读取配置文件的内容。很多应用项目，都有与应用相关的配置文件，这些配置文件很多是由项目开发人员自定义的，在里面定义一些应用重要的参数数据。当然，在实际的项目中，这种配置文件多数采用 xml 格式，也有采用 properties 格式的，我们这里假设创建了一个名为 AppConfig 的类，它专门用来读取配置文件内的信息。客户端通过 new 一个 AppConfig 的实例来得到一个操作配置文件内容的对象。如果在系统运行中，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是说很多地方都需要创建 AppConfig 对象的实例。换句话说，在系统运行期间，系统中会存在很多个 AppConfig 的实例对象，这里读者有没有发现有什么问题存在？当然有问题了，试想一下，每一个 AppConfig 实例对象里面都封装着配置文件的内容，系统中有多个 AppConfig 实例对象，也就是说系统中会同时存在多份配置文件的内容，这样会严重浪费内存资源。如果配置文件内容越多，对于系统资源的浪费程度就越大。事实上，对于 AppConfig 这样的类，在运行期间只需要一个实例对象就足够了。

单例模式的实现

从专业化来说，单例模式是一种对象创建模式，它用于产生一个对象的具体实例，它可以确保系统中一个类只产生一个实例。Java 里面实现的单例是一个虚拟机的范围，因为装载类的功能是虚拟机的，所以一个虚拟机在通过自己的 ClassLoad 装载实现单例类的时候就会创建一个类的实例。在 Java 语言中，这样的行为能带来两大好处：

  1. 对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销；
  2. 由于 new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间。

因此对于系统的关键组件和被频繁使用的对象，使用单例模式可以有效地改善系统的性能。单例模式的核心在于通过一个接口返回唯一的对象实例。首要的问题就是要把创建实例的权限收回来，让类自身来负责自己类的实例的创建工作，然后由这个类来提供外部可以访问这个类实例的方法，代码如清单 1 所示：

清单 1. 单例模式基本实现
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public class Singleton {
private Singleton(){
System.out.println("Singleton is create");
}
private static Singleton instance = new Singleton();
public static Singleton getInsatnce(){
return instance;
}
}

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首先单例类必须要有一个 private 访问级别的构造函数，只有这样，才能确保单例不会在系统中的其他代码内被实例化，；其次，instance 成员变量和 getInstance 方法必须是 static 的。

上述代码唯一的不足是无法对 instance 实例做延时加载，例如单例的创建过程很慢，而由于 instance 成员变量是 static 定义的，因此在 JVM 加载单例类时，单例对象就会被建立，如果此时这个单例类在系统中还扮演其他角色，那么在任何使用这个单例类的地方都会初始化这个单例变量，而不管是否会被用到。代码如清单 2 所示：

清单 2. 单例模式实验
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public class Singleton {
private Singleton(){
System.out.println("Singleton is create");
}
private static Singleton instance = new Singleton();
public static Singleton getInsatnce(){
return instance;
}
public static void createString(){
System.out.println("createString in Singleton");
}

public static void main(String[] args){
Singleton.createString();
}
}

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上述代码运行后的输出如清单 3 所示：

清单 3. 清单 2 代码运行运行后输出
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Singleton is create
createString in Singleton

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可以看到，虽然此时并没有使用单例类，但它还是被创建出来，为了解决这类问题，需要引入延迟加载机制，代码如清单 4 所示：

清单 4. 延迟加载的单例模式代码
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public class LazySingleton {
private LazySingleton(){
System.out.println("LazySingleton is create");
}
private static LazySingleton instance = null;
public static synchronized LazySingleton getInstance(){
if(instance == null){
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
public static void createString(){
System.out.println("create String");
}

public static void main(String[] args){
LazySingleton.createString();
}
}

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上述代码运行后的输出如清单 5 所示：

清单 5. 清单 4 代码运行后输出
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2
create String

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清单 4 所示代码首先对于静态成员变量 instance 初始化赋值 null，确保系统启动时没有额外的负载；其次，在 getInstance() 工厂方法中，判断当前单例是否已经存在，若存在则返回，不存在则再建立单例。这里尤其要注意的是，getInstance() 方法必须是同步的，否则在多线程环境下，当线程 1 正新建单例时，完成赋值操作前，线程 2 可能判断 instance 为 null，故线程 2 也将启动新建单例的程序，而导致多个实例被创建，故同步关键字是必须的。由于引入了同步关键字，导致多线程环境下耗时明显增加。两者测试代码如清单 6 所示：

清单 6. 非同步的单例模式代码
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public class Singleton implements Runnable{
private Singleton(){
System.out.println("Singleton is create");
}
private static Singleton instance = new Singleton();
public static Singleton getInsatnce(){
return instance;
}
public static void createString(){
System.out.println("createString in Singleton");
}

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
long beginTime = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<10000;i++){
Singleton.getInsatnce();
}
System.out.println(System.currentTimeMillis() - beginTime);
}

public static void main(String[] args){
//Singleton.createString();
for(int i=0;i<5;i++){
new Thread(new Singleton()).start();
}
}

}

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清单 6 所示代码运行的输出如清单 7 所示：

清单 7. 清单 6 代码运行后输出
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Singleton is create
Singleton is create
Singleton is create
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Singleton is create
Singleton is create
0
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Singleton is create
0
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清单 8. 完整的延迟加载方式代码
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public class LazySingleton implements Runnable{
private LazySingleton(){
System.out.println("LazySingleton is create");
}
private static LazySingleton instance = null;
public static synchronized LazySingleton getInstance(){
if(instance == null){
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
public static void createString(){
System.out.println("create String");
}

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
long beginTime = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<1000000;i++){
LazySingleton.getInstance();
}
System.out.println(System.currentTimeMillis() - beginTime);
}

public static void main(String[] args){
//LazySingleton.createString();
for(int i=0;i<5;i++){
new Thread(new LazySingleton()).start();
}
}

}

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清单 9. 清单 8 代码运行后输出
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LazySingleton is create
LazySingleton is create
LazySingleton is create
LazySingleton is create
LazySingleton is create
LazySingleton is create
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1234

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为了解决同步关键字降低系统性能的缺陷，做了一定改进，代码如清单 10 所示：

清单 10. 解决同步关键字低效率
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public class StaticSingleton {
private StaticSingleton(){
System.out.println("StaticSingleton is create");
}
private static class SingletonHolder{
private static StaticSingleton instance = new StaticSingleton();
}
public static StaticSingleton getInstance(){
return SingletonHolder.instance;
}
}

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清单 10 的单例模式使用内部类来维护单例的实例，当 StaticSingleton 被加载时，其内部类并不会被初始化，故可以确保当 StaticSingleton 类被载入 JVM 时，不会初始化单例类，而当 getInstance() 方法调用时，才会加载 SingletonHolder，从而初始化 instance。同时，由于实例的建立是时在类加载时完成，故天生对多线程友好，getInstance() 方法也无需使用同步关键字。

单例模式的本质

单例模式是为了控制在运行期间，某些类的实例数目只能有一个。如果你想要控制多个，可以利用 Map 来帮助缓存多个实例，代码如清单 11 所示：

清单 11. 控制 3 个实例
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import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
* 扩展单例模式，控制实际产生实例数目为 3 个
* @author zhoumingyao
*
*/
public class ThreeSingleton {
private final static String DEFAULT_PREKEY = "cache";//为后面使用的 key 定义一个前缀
private static Map<String,ThreeSingleton>
map = new HashMap<String,ThreeSingleton>();//定义缓存实例的容器
private static int number = 1;//定义初始化实例数目为 1
private final static int NUM_MAX = 3;

private ThreeSingleton(){

}

public static synchronized ThreeSingleton getInstance(){
//通过缓存理念及方式控制数量
String key = DEFAULT_PREKEY + number;
ThreeSingleton threeSingleton = map.get(key);
if(threeSingleton==null){
threeSingleton = new ThreeSingleton();
map.put(key, threeSingleton);
}
number++;//实例数目加 1
if(number>NUM_MAX){
number=1;
}
return threeSingleton;
}

public static void main(String args[]){
ThreeSingleton t1 = getInstance();
ThreeSingleton t2 = getInstance();
ThreeSingleton t3 = getInstance();
ThreeSingleton t4 = getInstance();
ThreeSingleton t5 = getInstance();
ThreeSingleton t6 = getInstance();
System.out.println(t1.toString());
System.out.println(t2.toString());
System.out.println(t3.toString());
System.out.println(t4.toString());
System.out.println(t5.toString());
System.out.println(t6.toString());
}
}

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清单 11 所示代码的输出如清单 12 所示：

清单 12. 清单 11 运行输出
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ThreeSingleton@61de33
ThreeSingleton@14318bb
ThreeSingleton@ca0b6
ThreeSingleton@61de33
ThreeSingleton@14318bb
ThreeSingleton@ca0b6

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第一个实例和第四个相同，第二个与第五个相同，第三个与第六个相同。也就是说一共只创建了三个实例。

结束语

单例模式是用来实现在整个程序中只有一个实例的设计模式方法。本文通过从最基础的单例模式开始讲解，逐渐进入到延迟加载、锁机制、内部、静态类等单例模式实现方法，让读者可以学习单例模式的具体应用。设计模式的核心理念是活学活用，所以不会有什么规则是固定不变的规则，需要读者在实际应用过程中不断尝试、不断创新，力求代码间接明了、易于扩展。

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Author: John Doe
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