關於單例模式應用的一些思考

文章轉自:http://www.tools138.com/create/article/20150929/020009847.html

單利模式的優缺點和使用場景

首先介紹一下單例模式：

單例模式（Singleton），也叫單子模式，是一種常用的軟件設計模式。在應用這個模式時，單例對象的類必須保證只有一個實例存在。
許多時候整個系統只需要擁有一個的全局對象，這樣有利於我們協調系統整體的行爲。比如在某個服務器程序中，該服務器的配置信息存放在一個文件中，這些配置數據由一個單例對象統一讀取，然後服務進程中的其他對象再通過這個單例對象獲取這些配置信息。這種方式簡化了在複雜環境下的配置管理。

實現單例模式的思路是：

一個類能返回對象一個引用(永遠是同一個)和一個獲得該實例的方法（必須是靜態方法，通常使用getInstance這個名 稱）；當我們調用這個方法時，如果類持有的引用不爲空就返回這個引用，如果類保持的引用爲空就創建該類的實例並將實例的引用賦予該類保持的引用；同時我們 還將該類的構造函數定義爲私有方法，這樣其他處的代碼就無法通過調用該類的構造函數來實例化該類的對象，只有通過該類提供的靜態方法來得到該類的唯一實例。

需要注意的地方：

單例模式在多線程的 應用場合下必須小心使用。如果當唯一實例尚未創建時，有兩個線程同時調用創建方法，那麼它們同時沒有檢測到唯一實例的存在，從而同時各自創建了一個實例， 這樣就有兩個實例被構造出來，從而違反了單例模式中實例唯一的原則。 解決這個問題的辦法是爲指示類是否已經實例化的變量提供一個互斥鎖(雖然這樣會降低效率)。

優點：

• 1.在單例模式中，活動的單例只有一個實例，對單例類的所有實例化得到的都是相同的一個實例。這樣就 防止其它對象對自己的實例化，確保所有的對象都訪問一個實例
• 2.單例模式具有一定的伸縮性，類自己來控制實例化進程，類就在改變實例化進程上有相應的伸縮性。
• 3.提供了對唯一實例的受控訪問。
• 4.由於在系統內存中只存在一個對象，因此可以 節約系統資源，當 需要頻繁創建和銷燬的對象時單例模式無疑可以提高系統的性能。
• 5.允許可變數目的實例。
• 6.避免對共享資源的多重佔用。

缺點：

• 1.不適用於變化的對象，如果同一類型的對象總是要在不同的用例場景發生變化，單例就會引起數據的錯誤，不能保存彼此的狀態。
• 2.由於單利模式中沒有抽象層，因此單例類的擴展有很大的困難。
• 3.單例類的職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。
• 4.濫用單例將帶來一些負面問題，如爲了節省資源將數據庫連接池對象設計爲的單例類，可能會導致共享連接池對象的程序過多而出現連接池溢出；如果實例化的對象長時間不被利用，系統會認爲是垃圾而被回收，這將導致對象狀態的丟失。

使用注意事項：

• 1.使用時不能用反射模式創建單例，否則會實例化一個新的對象
• 2.使用懶單例模式時注意線程安全問題
• 3.餓單例模式和懶單例模式構造方法都是私有的，因而是不能被繼承的，有些單例模式可以被繼承（如登記式模式）

適用場景：

單例模式只允許創建一個對象，因此節省內存，加快對象訪問速度，因此對象需要被公用的場合適合使用，如多個模塊使用同一個數據源連接對象等等。如：

• 1.需要頻繁實例化然後銷燬的對象。
• 2.創建對象時耗時過多或者耗資源過多，但又經常用到的對象。
• 3.有狀態的工具類對象。
• 4.頻繁訪問數據庫或文件的對象。

以下都是單例模式的經典使用場景：

1.資源共享的情況下，避免由於資源操作時導致的性能或損耗等。如上述中的日誌文件，應用配置。 
2.控制資源的情況下，方便資源之間的互相通信。如線程池等。 

應用場景舉例：

• 1.外部資源：每臺計算機有若干個打印機，但只能有一個PrinterSpooler，以避免兩個打印作業同時輸出到打印機。內部資源：大多數軟件都有一個（或多個）屬性文件存放系統配置，這樣的系統應該有一個對象管理這些屬性文件

• 2.Windows的Task Manager（任務管理器）就是很典型的單例模式（這個很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打開兩個windows task manager嗎？ 不信你自己試試看哦~

• 3.windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的單例應用。在整個系統運行過程中，回收站一直維護着僅有的一個實例。

• 4.網站的計數器，一般也是採用單例模式實現，否則難以同步。

• 5.應用程序的日誌應用，一般都何用單例模式實現，這一般是由於共享的日誌文件一直處於打開狀態，因爲只能有一個實例去操作，否則內容不好追加。

• 6.Web應用的配置對象的讀取，一般也應用單例模式，這個是由於配置文件是共享的資源。

• 7.數據庫連接池的設計一般也是採用單例模式，因爲數據庫連接是一種數據庫資源。數據庫軟件系統中使用數據庫連接池，主要是節省打開或者關閉數據庫連接所引起的效率損耗，這種效率上的損耗還是非常昂貴的，因爲何用單例模式來維護，就可以大大降低這種損耗。

• 8.多線程的線程池的設計一般也是採用單例模式，這是由於線程池要方便對池中的線程進行控制。

• 9.操作系統的文件系統，也是大的單例模式實現的具體例子，一個操作系統只能有一個文件系統。

• 10.HttpApplication 也是單位例的典型應用。熟悉ASP.Net(IIS)的整個請求生命週期的人應該知道HttpApplication也是單例模式，所有的HttpModule都共享一個HttpApplication實例.

實現單利模式的原則和過程：

• 1.單例模式：確保一個類只有一個實例，自行實例化並向系統提供這個實例
• 2.單例模式分類：餓單例模式（類加載時實例化一個對象給自己的引用），懶單例模式（調用取得實例的方法如getInstance時纔會實例化對象）（java中餓單例模式性能優於懶單例模式，c++中一般使用懶單例模式）
• 3.單例模式要素：
  a.私有構造方法
  b.私有靜態引用指向自己實例
  c.以自己實例爲返回值的公有靜態方法

1.餓漢式：單例實例在類裝載時就構建，急切初始化。（預先加載法）

/**
* 餓漢式（推薦）
*
*/
public class Test {
        private Test() {
        }
        public static Test instance = new Test();
        public Test getInstance() {
                return instance;
        }
}

優點

• 1.線程安全
• 2.在類加載的同時已經創建好一個靜態對象，調用時反應速度快

缺點

• 資源效率不高，可能getInstance()永遠不會執行到，但執行該類的其他靜態方法或者加載了該類（class.forName)，那麼這個實例仍然初始化

2.懶漢式：單例實例在第一次被使用時構建，延遲初始化。

class Test {
        private Test() {
        }
        public static Test instance = null;
        public static Test getInstance() {
                if (instance == null) {
              //多個線程判斷instance都爲null時，在執行new操作時多線程會出現重複情況
                        instance = new Singleton2();
                }
                return instance;
        }
}

優點：

• 避免了餓漢式的那種在沒有用到的情況下創建事例，資源利用率高，不執行getInstance()就不會被實例，可以執行該類的其他靜態方法。

缺點：

• 懶漢式在單個線程中沒有問題，但多個線程同事訪問的時候就可能同事創建多個實例，而且這多個實例不是同一個對象，雖然後面創建的實例會覆蓋先創建的實例，但是還是會存在拿到不同對象的情況。解決這個問題的辦法就是加鎖synchonized，第一次加載時不夠快，多線程使用不必要的同步開銷大。

3.雙重檢測

class Test {
        private Test() {
        }
        public static Test instance = null;

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

優點

• 資源利用率高，不執行getInstance()就不被實例，可以執行該類其他靜態方法
  缺點
• 第一次加載時反應不快，由於java內存模型一些原因偶爾失敗

4.靜態內部類

class Test {
        private Test() {
        }
        private static class SingletonHelp {
                static Test instance = new Test();
        }

        public static Test getInstance() {
                return SingletonHelp.instance;
        }
}

優點

• 資源利用率高，不執行getInstance()不被實例，可以執行該類其他靜態方法

缺點

• 第一次加載時反應不夠快

總結：
一般採用餓漢式，若對資源十分在意可以採用靜態內部類，不建議採用懶漢式及雙重檢測