浅述设计模式之单例模式

为什么要使用单例？

单例设计模式（Singleton Design Pattern）如果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。

为什么我们需要单例这种设计模式？它能解决哪些问题？接下来我通过两个实战案例来讲解：

实战案例一：处理资源访问冲突

我们自定义实现了一个往文件中打印日志的 Logger 类。具体的代码实现如下所示：

public class Logger { private FileWriter writer; public Logger() { File file = new File("/Users/mrHandson/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()); } } 复制代码

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。

为什么会出现互相覆盖呢？我们可以这么类比着理解。在多线程环境下，如果两个线程同时给同一个共享变量加 1，因为共享变量是竞争资源，所以，共享变量最后的结果有可能并不是加了 2，而是只加了 1。同理，这里的 log.txt 文件也是竞争资源，两个线程同时往里面写数据，就有可能存在互相覆盖的情况。

实战案例二：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？

要实现一个单例，我们需要关注的点无外乎下面几个： -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；

• 考虑是否支持延迟加载；

• 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。

1. 饿汉式

饿汉式的实现方式比较简单。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），从名字中我们也可以看出这一点。具体的代码实现如下所示：

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(); } } 复制代码

因为不支持延迟加载，如果实例占用资源多（比如占用内存多）或初始化耗时长（比如需要加载各种配置文件），提前初始化实例是一种浪费资源的行为。最好的方法应该在用到的时候再去初始化。

如果实例占用资源多，按照 fail-fast 的设计原则（有问题及早暴露），那我们也希望在程序启动时就将这个实例初始化好。如果资源不够，就会在程序启动的时候触发报错（比如 Java 中的 PermGen Space OOM），我们可以立即去修复。这样也能避免在程序运行一段时间后，突然因为初始化这个实例占用资源过多，导致系统崩溃，影响系统的可用性。

2. 懒汉式

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。具体的代码实现如下所示：

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(); } } 复制代码

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。量化一下的话，并发度是 1，也就相当于串行操作了。而这个函数是在单例使用期间，一直会被调用。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。

3. 双重检测

饿汉式不支持延迟加载，懒汉式有性能问题，不支持高并发。那我们再来看一种既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式，也就是双重检测实现方式。

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。具体的代码实现如下所示：

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(); } } 复制代码

有人说，这种实现方式有些问题。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。实际上，只有很低版本的 Java 才会有这个问题。我们现在用的高版本的 Java 已经在 JDK 内部实现中解决了这个问题（解决的方法很简单，只要把对象 new 操作和初始化操作设计为原子操作，就自然能禁止重排序）。关于这点的详细解释，跟特定语言有关，我就不展开讲了，感兴趣的同学可以自行研究一下。

4. 静态内部类

利用 Java 的静态内部类。它有点类似饿汉式，但又能做到了延迟加载。具体是怎么做到的呢？我们先来看它的代码实现。

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(); } } 复制代码

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。

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。具体的代码如下所示：

public enum IdGenerator { INSTANCE; private AtomicLong id = new AtomicLong(0); public long getId() { return id.incrementAndGet(); } } 复制代码

单例存在哪些问题?

在项目中使用单例，都是用它来表示一些全局唯一类，比如配置信息类、连接池类、ID 生成器类。单例模式书写简洁、使用方便，在代码中，我们不需要创建对象，直接通过类似 IdGenerator.getInstance().getId() 这样的方法来调用就可以了。但是，这种使用方法有点类似硬编码（hard code），会带来诸多问题。接下来，我们就具体看看到底有哪些问题：

1. 单例对 OOP 特性的支持不友好

OOP 的四大特性是封装、抽象、继承、多态。单例这种设计模式对于其中的抽象、继承、多态都支持得不好。为什么这么说呢？我们还是通过 IdGenerator 这个例子来讲解。

public class Order { public void create(...) { //... long id = IdGenerator.getInstance().getId(); //... } } public class User { public void create(...) { // ... long id = IdGenerator.getInstance().getId(); //... } } 复制代码

IdGenerator 的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则，也就违背了广义上理解的 OOP 的抽象特性。如果未来某一天，我们希望针对不同的业务采用不同的 ID 生成算法。比如，订单 ID 和用户 ID 采用不同的 ID 生成器来生成。为了应对这个需求变化，我们需要修改所有用到 IdGenerator 类的地方，这样代码的改动就会比较大。

public class Order { public void create(...) { //... long id = IdGenerator.getInstance().getId(); // 需要将上面一行代码，替换为下面一行代码 long id = OrderIdGenerator.getIntance().getId(); //... } } public class User { public void create(...) { // ... long id = IdGenerator.getInstance().getId(); // 需要将上面一行代码，替换为下面一行代码 long id = UserIdGenerator.getIntance().getId(); } } 复制代码

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。

2. 单例会隐藏类之间的依赖关系

通过构造函数、参数传递等方式声明的类之间的依赖关系，我们通过查看函数的定义，就能很容易识别出来。但是，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。

3. 单例对代码的扩展性不友好

我们知道，单例类只能有一个对象实例。如果未来某一天，我们需要在代码中创建两个实例或多个实例，那就要对代码有比较大的改动。你可能会说，会有这样的需求吗？既然单例类大部分情况下都用来表示全局类，怎么会需要两个或者多个实例呢？

实际上，这样的需求并不少见。我们拿数据库连接池来举例解释一下。

在系统设计初期，我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池，这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以，我们把数据库连接池类设计成了单例类。但之后我们发现，系统中有些 SQL 语句运行得非常慢。这些 SQL 语句在执行的时候，长时间占用数据库连接资源，导致其他 SQL 请求无法响应。为了解决这个问题，我们希望将慢 SQL 与其他 SQL 隔离开来执行。为了实现这样的目的，我们可以在系统中创建两个数据库连接池，慢 SQL 独享一个数据库连接池，其他 SQL 独享另外一个数据库连接池，这样就能避免慢 SQL 影响到其他 SQL 的执行。

如果我们将数据库连接池设计成单例类，显然就无法适应这样的需求变更，也就是说，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。实际上，一些开源的数据库连接池、线程池也确实没有设计成单例类。

4. 单例对代码的可测试性不友好

单例模式的使用会影响到代码的可测试性。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。

除此之外，如果单例类持有成员变量（比如 IdGenerator 中的 id 成员变量），那它实际上相当于一种全局变量，被所有的代码共享。如果这个全局变量是一个可变全局变量，也就是说，它的成员变量是可以被修改的，那我们在编写单元测试的时候，还需要注意不同测试用例之间，修改了单例类中的同一个成员变量的值，从而导致测试结果互相影响的问题。

5. 单例不支持有参数的构造函数

单例不支持有参数的构造函数，比如我们创建一个连接池的单例对象，我们没法通过参数来指定连接池的大小。

有何替代解决方案？

// 1. 老的使用方式 public demofunction() { //... long id = IdGenerator.getInstance().getId(); //... } // 2. 新的使用方式：依赖注入 public demofunction(IdGenerator idGenerator) { long id = idGenerator.getId(); } // 外部调用demofunction()的时候，传入idGenerator IdGenerator idGenerator = IdGenerator.getInsance(); demofunction(idGenerator); 复制代码

基于新的使用方式，我们将单例生成的对象，作为参数传递给函数（也可以通过构造函数传递给类的成员变量），可以解决单例隐藏类之间依赖关系的问题。不过，对于单例存在的其他问题，比如对 OOP 特性、扩展性、可测性不友好等问题，还是无法解决。

所以，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。实际上，类对象的全局唯一性可以通过多种不同的方式来保证。我们既可以通过单例模式来强制保证，也可以通过工厂模式、IOC 容器（比如 Spring IOC 容器）来保证。