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应用最广的模式——单例模式

2019-01-08  本文已影响14人  程序员丶星霖

《Android源码设计模式解析与实战》读书笔记(二)
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一、单例模式介绍

单例模式是应用最广的模式之一。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。很多时候整个系统只需要拥有一个全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。

1.1、单例模式的定义

确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

1.2、单例模式的使用场景

确保某个类有且只有一个对象的场景，避免产生多个对象消耗过多的资源，或者某种类型的对象只应该有且只有一个。

实现单例模式主要有如下几个关键点：

通过将单例类的构造函数私有化，使得不能通过new的形式手动构造单例类的对象。单例类会暴露一个公有静态方法，需要调用这个静态方法获取到单例类的唯一对象，在获取这个单例对象的和过程中需要确保线程安全，即在多线程环境下构造单例类的对象也是有且只有一个，这也是单例模式实现中比较困难的地方。

二、单例模式的简单示例（饿汉式单例模式）

单例模式是设计模式中比较简单的，只有一个单例类，没有其他的层次结构与抽象。

该模式需要确保该类只能生成一个对象，通常是该类需要消耗较多的资源或者没有多个实例的情况。

请看下面示例。
一个公司可以有几个VP、无数个员工，但是CEO只有一个。

//普通员工
public class Staff {
    public void work(){
        //工作
    }
}



//副总裁
public class VP extends Staff{

    @Override
    public void work() {
        //管理下面的经理
    }
}

//CEO，饿汉式单例模式
public class CEO extends Staff {
    private static final CEO mCeo = new CEO();

    //构造函数私有
    public CEO() {
    }

    //公有的静态函数，对外暴露获取单例对象的接口
    public static CEO getCeo() {
        return mCeo;
    }

    @Override
    public void work() {
        //管理VP
    }
}

//公司类
public class Company {
    private List<Staff> allStaffs=new ArrayList<Staff>();

    public void addStaff(Staff per) {
        allStaffs.add(per);
    }
    public void showAllStaffs(){
        for (Staff per :
                allStaffs) {
            Log.e("TAG","Obj:" + per.toString());
        }
    }
}

 private void init() {
        Company cp=new Company();
        //CEO对象只能通过getCeo函数获取
        Staff ceo1 = CEO.getCeo();
        Staff ceo2 = CEO.getCeo();
        cp.addStaff(ceo1);
        cp.addStaff(ceo2);

        //通过new创建VP对象
        Staff vp1 = new VP();
        Staff vp2 = new VP();

        //通过new创建Staff对象
        Staff mStaff1 = new Staff();
        Staff mStaff2 = new Staff();
        Staff mStaff3 = new Staff();

        cp.addStaff(vp1);
        cp.addStaff(vp2);
        cp.addStaff(mStaff1);
        cp.addStaff(mStaff2);
        cp.addStaff(mStaff3);

        cp.showAllStaffs();
    }

输出结果如下：

2019-01-07 23:13:26.925 5313-5313/? E/TAG: Obj:com.tengxin.mytest.CEO@4c4ca4b
2019-01-07 23:13:26.926 5313-5313/? E/TAG: Obj:com.tengxin.mytest.VP@e6f2c28
2019-01-07 23:13:26.926 5313-5313/? E/TAG: Obj:com.tengxin.mytest.VP@3ba2d41
2019-01-07 23:13:26.926 5313-5313/? E/TAG: Obj:com.tengxin.mytest.Staff@15542e6
2019-01-07 23:13:26.926 5313-5313/? E/TAG: Obj:com.tengxin.mytest.Staff@f93c027
2019-01-07 23:13:26.926 5313-5313/? E/TAG: Obj:com.tengxin.mytest.Staff@b9ee2d4

从代码中可以看到，CEO类不能通过new的形式构造对象，只能通过CEO.getCEO()函数来获取。
这个实现的核心在于量CEO类的构造方法进行了私有化，使得外部程序不能通过构造函数来构造CEO对象，而CEO类通过一个静态方法返回一个静态对象。

三、单例模式的其他实现方式

3.1、懒汉式单例模式

懒汉式单例模式是声明一个静态对象，并且在用户第一次调用getInstance时进行初始化；而饿汉式单例模式是在声明静态对象时就已经初始化。

懒汉式单例模式实现如下：

//懒汉式单例模式
public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

getInstance()方法中添加了synchronized关键字，使得在多线程情况下保证单例对象唯一。

但是懒汉式单例模式也存在一个问题，就是每次调用getInstance方法都会进行同步，这样会消耗不必要的资源。

懒汉式单例模式总结

3.2、Double Check Lock（DCL）实现单例

DCL方式实现单例模式的优点是既能够在需要时初始化单例，又能够保证线程安全，且单例对象初始化后调用getInstance不进行同步锁。

代码如下：

//DCL方式实现单例模式
public class DCLSingleton {
    private static DCLSingleton mSingleton = null;

    public DCLSingleton() {}

    public void doSomething(){
        Log.e("TAG", "do sth.");
    }

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

这种方式的亮点就在getInstance方法上，getInstance方法对mSingleton进行了两次判空：

  1. 第一层判断主要是为了避免不必要的同步；
  2. 第二层的判断是为了在null的情况下创建实例。

DCL总结：

3.3、静态内部类单例模式

DCL虽然在一定程度上解决了资源消耗、多余的同步、线程安全等问题，但是，它还是在某些情况下出现失效的问题。这个问题被称为双重检查锁定（DCL）失效。

建议使用如下代码：

//静态内部类单例模式
public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

    /**
     * 静态内部类
     */
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton sInstance =new Singleton();
    }
}

当第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance，只有在第一次调用Singleton的getInstance方法时才会导致sInstance被初始化。

这种方式不仅能够确保线程安全，也能够保证单例对象的唯一性，同时也延迟了单例的实例化，这是推荐使用的单例模式实现方式。

3.4、枚举单例

//枚举单例
public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
    public void doSomething(){
        Log.e("TAG", "doSomething " );
    }
}

枚举单例最大的优点就是写法简单，枚举在Java中与普通的类是一样的，不仅能够有字段，还能够有自己的方法。最重要的是默认枚举实例的创建是线程安全的，并且字啊任何情况下它都是一个单例。

通过序列化可以将一个单例的实例对象写到磁盘，然后再读回来，从而有效地获得一个实例。即使构造函数是私有的，反序列化时依然可以通过特殊的途径去创建类的一个新的实例，相当于调用该类的构造函数。反序列化操作提供了一个很特别的钩子函数，类中具有一个私有的、被实例化的方法readResolve()，这个方法可以控制对象的反序列化。上述几个示例中要杜绝单例对象在被反序列化时重新生成对象，必须加入如下方法：

    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return mSingleton;
    }

而对于枚举，并不存在这个问题，因为即使反序列化也不会重新生成新的实例。

3.5、使用容器实现单例模式

下面是一种另类的实现：

//使用容器实现单例模式
public class SingletonManager {

    private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<>();

    private SingletonManager() {}

    public static void registerService(String key,Object instance){
        if (!objMap.containsKey(key)) {
            objMap.put(key, instance);
        }
    }

    public static Object getService(String key) {
        return objMap.get(key);
    }
}

这种方式可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作，降低了用户的使用成本，也对用户隐藏了具体实现，降低了耦合度。

无论什么形式实现单例模式，其核心原理都是将构造函数私有化，并且通过静态方法获取一个唯一的实例，在获取的过程中要保证线程安全、防止反序列化导致重新生成实例对象等问题。

四、总结

单例模式是运用频率很高的模式，在客户端通常没有高并发的情况下，选择哪种实现方式并不会有太大的影响。出于效率考虑，推荐使用DCL形式单例模式、静态内部类单例模式。

4.1、优点

  1. 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显；
  2. 由于单例模式只生产一个实例，所以，减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决；
  3. 单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件操作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作；
  4. 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如，可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

4.2、缺点

  1. 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现；
  2. 单例对象如果持有Context，那么很容易引发内存泄漏，此时需要注意传递给单例对象的Context最好是Application Context。

学海无涯苦作舟

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