设计模式：单例模式
单例模式
为什么要使用单例？
单例设计模式（Singleton Design Pattern）理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。
案例一：处理资源访问冲突
public class Logger {
private FileWriter writer;
public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}
public void log(String message) {
writer.write(message);
}
}
// Logger类的应用示例：
public class UserController {
private Logger logger = new Logger();
public void login(String username, String password) {
// ...省略业务逻辑代码...
logger.log(username + " logined!");
}
}
public class OrderController {
private Logger logger = new Logger();
public void create(OrderVo order) {
// ...省略业务逻辑代码...
logger.log("Created an order: " + order.toString());
}
}
在上面的代码中，我们注意到，所有的日志都写入到同一个文件 /Users/wangzheng/log.txt 中。在 UserController 和 OrderController 中，我们分别创建两个 Logger 对象。在 Web 容器的 Servlet 多线程环境下，如果两个 Servlet 线程同时分别执行 login() 和 create() 两个函数，并且同时写日志到 log.txt 文件中，那就有可能存在日志信息互相覆盖的情况。
我们最先想到的就是通过加锁的方式：给 log() 函数加互斥锁（Java 中可以通过 synchronized 的关键字），同一时刻只允许一个线程调用执行 log() 函数。但这样并不能解决问题：这种锁是一个对象级别的锁，一个对象在不同的线程下同时调用 log() 函数，会被强制要求顺序执行。但是，不同的对象之间并不共享同一把锁。在不同的线程下，通过不同的对象调用执行 log() 函数，锁并不会起作用，仍然有可能存在写入日志互相覆盖的问题。
那我们该怎么解决这个问题呢？实际上，要想解决这个问题也不难，我们只需要把对象级别的锁，换成类级别的锁就可以了。让所有的对象都共享同一把锁。这样就避免了不同对象之间同时调用 log() 函数，而导致的日志覆盖问题。
而单例模式的解决方案则更为简单：将 Logger 设计成一个单例类，程序中只允许创建一个 Logger 对象，所有的线程共享使用的这一个 Logger 对象，共享一个 FileWriter 对象，而 FileWriter 本身是对象级别线程安全的，也就避免了多线程情况下写日志会互相覆盖的问题。
public class Logger {
private FileWriter writer;
private static final Logger instance = new Logger();
private Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}
public static Logger getInstance() {
return instance;
}
public void log(String message) {
writer.write(mesasge);
}
}
// Logger类的应用示例：
public class UserController {
public void login(String username, String password) {
// ...省略业务逻辑代码...
Logger.getInstance().log(username + " logined!");
}
}
public class OrderController {
public void create(OrderVo order) {
// ...省略业务逻辑代码...
Logger.getInstance().log("Created a order: " + order.toString());
}
}
案例二：表示全局唯一类
从业务概念上，如果有些数据在系统中只应保存一份，那就比较适合设计为单例类。比如，配置信息类。在系统中，我们只有一个配置文件，当配置文件被加载到内存之后，以对象的形式存在，也理所应当只有一份。
如何实现一个单例？
- 构造函数需要是 private 访问权限的，这样才能避免外部通过 new 创建实例；
- 考虑对象创建时的线程安全问题；
- 考虑是否支持延迟加载；
- 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。
1. 饿汉式
在类加载的时候，instance 静态实例就已经创建并初始化好了，所以，instance 实例的创建过程是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载（在真正用到 IdGenerator 的时候，再创建实例）
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
private IdGenerator() {}
public static IdGenerator getInstance() {
return instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
2. 懒汉式
懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。不过懒汉式的缺点也很明显，我们给 getInstance() 这个方法加了一把大锁（synchronzed），导致这个函数的并发度很低。如果这个单例类偶尔会被用到，那这种实现方式还可以接受。但是，如果频繁地用到，那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题，会导致性能瓶颈，这种实现方式就不可取了。
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static IdGenerator instance;
private IdGenerator() {}
public static synchronized IdGenerator getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new IdGenerator();
}
return instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
3. 双重检测
在这种实现方式中，只要 instance 被创建之后，即便再调用 getInstance() 函数也不会再进入到加锁逻辑中了。所以，这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static IdGenerator instance;
private IdGenerator() {}
public static IdGenerator getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
if (instance == null) {
instance = new IdGenerator();
}
}
}
return instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
因为指令重排序，可能会导致 IdGenerator 对象被 new 出来，并且赋值给 instance 之后，还没来得及初始化（执行构造函数中的代码逻辑），就被另一个线程使用了。要解决这个问题，我们需要给 instance 成员变量加上 volatile 关键字，禁止指令重排序才行。
4. 静态内部类
SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private IdGenerator() {}
private static class SingletonHolder{
private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
}
public static IdGenerator getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
5. 枚举
这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。
public enum IdGenerator {
INSTANCE;
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
Java规范中规定，每一个枚举类型及其定义的枚举变量在JVM中都是唯一的，因此在枚举类型的序列化和反序列化上，Java做了特殊的规定。在序列化的时候Java仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过 java.lang.Enum 的 valueOf() 方法来根据名字查找枚举对象。由此可知，枚举天生保证序列化单例。
单例存在哪些问题?
-
单例对 OOP 特性的支持不友好
一旦你选择将某个类设计成到单例类，也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。
-
单例会隐藏类之间的依赖关系
单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂，这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候，我们就需要仔细查看每个函数的代码实现，才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。
-
单例对代码的扩展性不友好
单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。所以，数据库连接池、线程池这类的资源池，最好还是不要设计成单例类。
-
单例对代码的可测试性不友好
如果单例类依赖比较重的外部资源，比如 DB，我们在写单元测试的时候，希望能通过 mock 的方式将它替换掉。而单例类这种硬编码式的使用方式，导致无法实现 mock 替换。
-
单例不支持有参数的构造函数
第一种解决思路是：创建完实例之后，再调用 init() 函数传递参数。需要注意的是，我们在使用这个单例类的时候，要先调用 init() 方法，然后才能调用 getInstance() 方法，否则代码会抛出异常。
第二种解决思路是：将参数放到 getIntance() 方法中。（不推荐，因为单例模式对象本身只应该被创建一次）
第三种解决思路是：将参数放到另外一个全局变量中。例如：Config 是一个存储了 paramA 和 paramB 值的全局变量。里面的值既可以像下面的代码那样通过静态常量来定义，也可以从配置文件中加载得到。
单例有什么替代解决方案？
为了保证全局唯一，除了使用单例，我们还可以用静态方法来实现。不过，静态方法这种实现思路，并不能解决我们之前提到的问题。如果要完全解决这些问题，我们可能要从根上，寻找其他方式来实现全局唯一类了。比如，通过工厂模式、IOC 容器（比如 Spring IOC 容器）来保证，由程序员自己来保证（自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象）。如果单例类并没有后续扩展的需求，并且不依赖外部系统，那设计成单例类就没有太大问题。对于一些全局的类，我们在其他地方 new 的话，还要在类之间传来传去，不如直接做成单例类，使用起来简洁方便。
如何理解单例模式中的唯一性？
定义中提到，“一个类只允许创建唯一一个对象”。那对象的唯一性的作用范围是什么呢？是指线程内只允许创建一个对象，还是指进程内只允许创建一个对象？答案是后者，也就是说，单例模式创建的对象是进程唯一的。
进程之间是不共享地址空间的，如果我们在一个进程中创建另外一个进程（比如，代码中有一个 fork() 语句，进程执行到这条语句的时候会创建一个新的进程），操作系统会给新进程分配新的地址空间，并且将老进程地址空间的所有内容，重新拷贝一份到新进程的地址空间中，这些内容包括代码、数据（比如 user 临时变量、User 对象）。所以，单例类在老进程中存在且只能存在一个对象，在新进程中也会存在且只能存在一个对象。而且，这两个对象并不是同一个对象，这也就说，单例类中对象的唯一性的作用范围是进程内的，在进程间是不唯一的。
线程唯一单例的代码
在代码中，我们通过一个 HashMap 来存储对象，其中 key 是线程 ID，value 是对象。这样我们就可以做到，不同的线程对应不同的对象，同一个线程只能对应一个对象。
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static final ConcurrentHashMap<Long, IdGenerator> instances
= new ConcurrentHashMap<>();
private IdGenerator() {}
public static IdGenerator getInstance() {
Long currentThreadId = Thread.currentThread().getId();
instances.putIfAbsent(currentThreadId, new IdGenerator());
return instances.get(currentThreadId);
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
集群唯一
集群相当于多个进程构成的一个集合，“集群唯一”就相当于是进程内唯一、进程间也唯一。也就是说，不同的进程间共享同一个对象，不能创建同一个类的多个对象。
我们需要把这个单例对象序列化并存储到外部共享存储区（比如文件）。进程在使用这个单例对象的时候，需要先从外部共享存储区中将它读取到内存，并反序列化成对象，然后再使用，使用完成之后还需要再存储回外部共享存储区。
为了保证任何时刻，在进程间都只有一份对象存在，一个进程在获取到对象之后，需要对对象加锁，避免其他进程再将其获取。在进程使用完这个对象之后，还需要显式地将对象从内存中删除，并且释放对对象的加锁。
多例模式
- “多例”指的就是，一个类可以创建多个对象，但是个数是有限制的，比如只能创建 3 个对象。
- 同一类型的只能创建一个对象，不同类型的可以创建多个对象。——通过一个 Map 来存储对象类型（对象名称）和对象之间的对应关系，来控制对象的个数。