女朋友：你能给我讲讲单例模式吗？

vlambda
2020-01-12

女朋友：你能给我讲讲单例模式吗？

作者 | 静幽水

责编 | Elle

问题背景

某公司老板在招程序员时承诺帮助解决单身问题，给程序员分配一个女朋友，于是单身的小强毫不犹豫就去应聘了，并被顺利录用。那么我们怎么用代码来模拟一下呢？首先定义一个女朋友的类，拥有两个属性，姓名和年龄：

public class GirlFriend {
private String name;
private Integer age;

public GirlFriend(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
    }

public String getName() {
return name;
    }

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

public Integer getAge() {
return age;
    }

public void setAge(Integer age) {
this.age = age;
    }

@Override
public String toString() {
return "GirlFriend{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
    }
}

接着程序员小强就可以new出来一个女朋友的实例了，只需要传进去姓名和年龄就可以了，如下：

public class Programmer {
public static void main(String[] args){
        GirlFriend girlFriend = new GirlFriend("小美",20);
        System.out.println(girlFriend.toString());
    }
}

打印出的结果是GirlFriend{name='小美', age=20}

有何问题

突然有一天，程序员小强已经不满足只有一个女朋友了，于是他私自new出了多个女朋友对象出来，如下：

public class Programmer {
public static void main(String[] args){


        GirlFriend girlFriend = new GirlFriend("小美",20);
        GirlFriend girlFriend2 = new GirlFriend("小红",18);
        GirlFriend girlFriend3 = new GirlFriend("小丽",19);
        System.out.println(girlFriend.toString());
        System.out.println(girlFriend2.toString());
        System.out.println(girlFriend3.toString());
    }
}

打印结果如下：

GirlFriend{name='小美', age=20}
GirlFriend{name='小红', age=18}
GirlFriend{name='小丽', age=19}

但是不久就被老板发现了，因为内存中存在多个女朋友实例对象，严重浪费了公司的资源，老板决定只能给小强分配一个女朋友，老板绞尽脑汁，终于想出了应对方法。

解决方法

老板发现，问题的根源就是不能把创造女朋友的权限交给小强，应该给他一个创造好的对象，并且姓名和年龄也不能由小强来决定，不然他肯定只要18岁的。而是要把创建实例的权限收回，让类自身负责自己类实例的创建。

来看看代码如何实现：

public class GirlFriend {
private String name;
private Integer age;
//定义一个变量来存储创建好的类实例
private static GirlFriend girlFriend = null;
//私有化构造方法，防止外部调用
private GirlFriend(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
    }
//定义一个方法为程序员类提供女朋友实例
public static GirlFriend getGirlFriend(){
//判断存储实例是否为空
if(girlFriend==null){
//如果没值，就new出一个实例，并赋值给存储实例的变量
          girlFriend = new GirlFriend("小美",28);
      }
return girlFriend;
    }


public String getName() {
return name;
    }


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


public Integer getAge() {
return age;
    }


public void setAge(Integer age) {
this.age = age;
    }


@Override
public String toString() {
return "GirlFriend{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
    }


}

主要的核心思想有三点：

1.定义一个变量来存储创建好的类实例；

2.私有化构造函数，防止外部new该对象；

3.对外提供一个能获取到该对象的方法。

程序员小强该如何获取呢：

public class Programmer {
public static void main(String[] args){
       GirlFriend girlFriend = GirlFriend.getGirlFriend();
        System.out.println(girlFriend.toString());
    }
}

直接使用GirlFriend类调用获取对象的getGirlFriend方法获取到实例对象，打印结果如下：

GirlFriend{name='小美', age=28}

模式讲解

上面这种解决方案就是单例模式（Singleton），单例模式定义：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。

通用类图如下：

Singleton:负责创建单例类自己的唯一实例，并提供一个getInstance的方法让外部来访问这个类的唯一实例。

单例模式功能：保证类在运行期间只允许被创建一个实例。有懒汉式和饿汉式两种实现方式。

懒汉式：上面的代码就是懒汉式的实现方式，顾名思义，懒汉式指只有当该实例被使用到的时候才会创建，通过三个步骤就可以实现懒汉式：

1.私有化构造方法：防止外部使用。

2.提供获取实例的方法：全局唯一的类实例访问点。

3.把获取实例的方法改为静态：因为只有静态的方法才能直接通过类名来调用，否则就要通过实例调用，这就陷入了死循环。

完整代码：

public class Singleton{
//定义变量存放创建好的实例，因为要在静态方法中使用，所以变量也必须是静态的
private static Singleton uniqueInstance = null;
//私有化构造方法，可以在内部控制创建实例的数目
private Singleton(){

    }
//定义一个方法为客户端提供类实例，synchronized同步保证线程安全
public static synchronized Singleton getInstance(){
//判断是否已经有实例
if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
//有就直接用
return uniqueInstance;
    }
}

这里使用到了synchronized用来保证线程安全，如果不加会带来什么问题呢？比如两个线程A和B,就有可能导致并发的问题，如图所示：

这种情况就会创建出两个实例出来，单例模式也就失效了。加上synchronized虽然能保证线程安全，但是却降低了访问速度，影响了性能，可以考虑使用双重检查加锁来解决这个问题，双重检查加锁意思是并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法之后先检查实例是否存在，如果不存在才进入同步块。这是第一重检查。进入同步块之后再检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。

代码实现：

public class Singleton{
//对保存实例的变量添加volatile修饰
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton(){

    }
public static Singleton getInstance(){
//第一次检查
if(instance == null){
//同步块，线程安全的创建实例
synchronized (Singleton.class){
//第二次检查
if(instance==null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
return instance;
    }
}

这种方式即可以安全的创建线程，又不会对性能造成太大的影响。

饿汉式：所谓饿汉式也就是在类加载的时候直接new出一个对象来，不管以后用不用得到，是一种以空间换取时间的策略。代码也非常简单：

public class Singleton{
//定义一个变量来存储创建好的实例，直接在这里创建实例，只能创建一次
//static变量在类加载时进行初始化，并且只被初始化一次。
private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
//私有化构造方法，可以在内部控制创建实例的数目，防止在外部创建
private Siingleton(){

    }
//定义一个方法为客户端提供类实例，方法上加static将该方法变为静态
//目的是不需要对象实例就可以在外部直接通过类来调用
public static Singleton getInstance(){
//直接使用已经创建好的实例
return uniqueInstance;
    }
}

单例模式作用范围：目前Java里面实现的单例是一个虚拟机的范围，虚拟机在通过自己的`ClassLoader`装载饿汉式实现的单例类时就会创建一个类实例。如果一个虚拟机中有多个类加载器或者一个机器中有多个虚拟机，那么单例就不再起作用了。

单例模式优缺点：

1.节约内存资源；

2.时间和空间：懒汉式是以时间换空间，饿汉式是以空间换时间；

3.线程安全：不加同步synchronized的懒汉式是线程不安全的，而饿汉式是线程安全的，因为虚拟机只会装载一次，并且在装载的时候是不会发生并发的。加上synchronized和双重检查加锁也能保证懒汉式的线程安全。

新的问题

由于小强工作很卖命，公司业绩发展的不错，老板决定再招一名程序员，应聘者小华也是一个单身汉，老板也承诺会给他分配女朋友，单是问题来了，之前的GirlFriend只能new出一个对象，总不能让小强和小华共用一个对象吧。于是要想办法实现一个可以提供两个实例的GirlFriend类。

其实思路很简单，只需要通过Map来缓存实例即可，代码如下：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;


public class GirlFriend {
private String name;
private Integer age;
private static int maxNumsOfGirlFriends = 2;//最大数量
private static int number = 1;//当前编号
//定义一个变量来存储创建好的类实例
private static Map<String,GirlFriend> girlFriendMap = new HashMap<String, GirlFriend>();


//私有化构造方法，防止外部调用
private GirlFriend(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
    }
//定义一个方法为程序员类提供女朋友实例
public static GirlFriend getGirlFriend(){


        GirlFriend girlFriend = girlFriendMap.get(number+"");
if(girlFriend==null){
//new一个新实例，并放到map中，用number当做key，实例是value
          girlFriend = new GirlFriend("小美",28);
          girlFriendMap.put(number+"",girlFriend);
        }
        number++;
if(number>maxNumsOfGirlFriends){
            number = 1;
        }
return girlFriend;
    }


public String getName() {
return name;
    }


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


public Integer getAge() {
return age;
    }


public void setAge(Integer age) {
this.age = age;
    }
}

程序员类进行获取女朋友实例，如下：

public class Programmer {
public static void main(String[] args){
       GirlFriend girlFriend1 = GirlFriend.getGirlFriend();
        System.out.println(girlFriend1);
        GirlFriend girlFriend2 = GirlFriend.getGirlFriend();
        System.out.println(girlFriend2);
        GirlFriend girlFriend3 = GirlFriend.getGirlFriend();
        System.out.println(girlFriend3);
        GirlFriend girlFriend4 = GirlFriend.getGirlFriend();
        System.out.println(girlFriend4);
    }
}

上面代码获取了四次，看看打印的结果如何：

GirlFriend@6e0be858
GirlFriend@61bbe9ba
GirlFriend@6e0be858
GirlFriend@61bbe9ba

可以看出，第一次和第三次是一样的，第二次和第四次是一样的，一共就只有两个对象，解决了这个问题。但是如何判断哪个女朋友实例是小强的哪个是小华的呢？一种简单的方法是通过给获取实例的函数getGirlFriend传参，比如小强获取的时候传如number = 1,小华的number = 2。

相关扩展

在Java中还用一种更好的单例实现方式，既能够实现延迟加载，又能够实现线程安全。这种解决方案被称为Lazy initialization holder class模式，这个模式综合使用了Java的类级内部类和多线程缺省同步锁的知识，很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。

类级内部类：

1.类级内部类指的是有static修饰的成员式内部类。如果没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。

2.类级内部类相当于其外部类的static成分，它的对象与外部类对象间不存在依赖关系，因此可以直接创建。

3.类级内部类中可以定义静态方法。在静态方法中能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。

4.类级内部类相当于其外部类的成员，只有在第一次被使用的时候才会被装载。

缺省同步锁：在某些情况下，JVM已经隐含地执行了同步，不需要自己进行同步控制了，这些情况包括：

1.由静态初始化器初始化数据时。

2.访问final字段时

3.在创建线程之前创建对象时

4.线程可以看见它将要处理的对象时。

思路：使用静态初始化器的方式，由jvm保证线程安全。但是这样就像饿汉式的实现方式了，浪费一定的空间。采用类级内部类，在这个类级内部类里面创建对象实例，只要不使用这个类级内部类，就不会创建实例对象。

代码：

public class Singleton{
//类级内部类，该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系，
// 而且只有被调用到时才会装载，从而实现延迟加载
private static class SingletonHolder{
//静态初始化器，由jvm保证线程安全
private static Singleton instance = new Singleton();
    }
private Singleton(){

    }
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.instance;
    }
}

当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取 SingletonHolder.instance导致SingletonHolder类得到初始化，从而创建Singleton实例。

枚举实现单例：

1.Java的枚举类型实质上是功能齐全的类，因此可以有自己的属性和方法。

2.Java枚举类型的基本思想是通过共有的静态fianl域为每个枚举常量导出实例的类。

3.从某种角度将，枚举是单例的泛型化，本质上是单元素的枚举。

代码：

public enum Singleton{
    uniqueInstance;
//单例自己的操作函数
public void singletonOperation(){
//功能处理
    }
}

使用枚举来实现单例控制更加简洁，而且无偿地提供了序列化的机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化。

在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样的优点是Spring容器可以管理这些Bean的生命周期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候如何处理等等。

使用单例模式需要注意的就是JVM的垃圾回收机制，如果我们的一个单例对象在内存中长久不使用，JVM就认为这个对象是一个垃圾，在CPU资源空闲的情况下该对象会被清理掉，下次再调用时就需要重新产生一个对象。