学习笔记:单例模式(单件模式/单态模式)(饿汉、懒汉)

本文深入探讨了单例模式的设计理念,解释了如何确保一个类只有一个实例,并提供了全局访问点。文章详细分析了单例模式的结构、实现方式及其在不同场景下的应用,如身份证号码的唯一性和打印池的管理。

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1、模式定义

  • 单例模式(Singleton Pattern):单例模式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,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。
  • 单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式单态模式
  • 单例模式的要点有三个:一是某个类只能有一个实例;二是它必须自行创建这个实例;三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

2、模式动机

  • 对于系统中的某些类来说,只有一个实例很重要,例如,一个系统中可以存在多个打印任务,但是只能有一个正在工作的任务;一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统;一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。
  • 如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢?定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问,但不能防止我们实例化多个对象。
  • 一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建,并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

3、模式结构

在这里插入图片描述
单例模式包含如下角色:
Singleton:单例

4、模式分析

  • 单例模式的目的是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。单例模式包含的角色只有一个,就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数,确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外,该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法,该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己,然后存储在静态成员变量中,以确保只有一个实例被创建。
  • 单例模式的实现代码如下所示:
    package singletonPattern;
    /**
    *单例模式
    */
    public class Singleton {
    	private static Singleton instance = null;//静态私有成员变量
    	//私有构造函数
    	public Singleton(){
    		
    	}
    	//静态共有工厂方法,返回唯一实例
    	public static Singleton getInstance() {
    		if(instance == null) {
    			instance = new Singleton();
    		}
    		return instance;
    	}
    }
    
  • 在单例模式的实现过程中,需要注意如下三点:
    ①单例类的构造函数为私有
    ②提供一个自身的静态私有成员变量
    ③提供一个公有的静态工厂方法

5、实例与解析

  • 实例一:身份证号码
    在现实生活中,居民身份证号码具有唯一性,同一个人不允许有多个身份证号码,第一次申请身份证时将给居民分配一个身份证号码,如果之后因为遗失等原因补办时,还是使用原来的身份证号码,不会产生新的号码。现使用单例模式模拟该场景。
    在这里插入图片描述
    IdentityCardNo类:

    package singletonPattern;
    
    public class IdentityCardNo {
    	private static IdentityCardNo instance = null;
    	private String no;
    	
    	private IdentityCardNo() {
    		
    	}
    
    	public static IdentityCardNo getInstence() {
    		if(instance == null) {
    			System.out.println("第一次办理身份证,生成身份ID!");
    			instance = new IdentityCardNo();
    			instance.setIdentityCardNo("404404404404404404");
    		}else {
    			System.out.println("重复办理身份证,获取其身份证ID!");
    		}
    		return instance;
    	}
    	
    	
    	private void setIdentityCardNo(String no) {
    		this.no = no;
    	}
    	public String getIdentityCardNo() {
    		return this.no;
    	}
    }
    
    

    Client:

    package singletonPattern;
    
    public class Client {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		IdentityCardNo no1,no2;
    		no1 = IdentityCardNo.getInstence();
    		no2 = IdentityCardNo.getInstence();
    		System.out.println("身份证号码是否一致?" + (no1==no2));
    		String str1,str2;
    		str1 = no1.getIdentityCardNo();
    		str2 = no2.getIdentityCardNo();
    		System.out.println("第一次号码:" + str1);
    		System.out.println("第二次号码:" + str2);
    		System.out.println("内容是否相同?" + str1.equalsIgnoreCase(str2));
    		System.out.println("对象是否相同?" + (str1==str2));
    	}
    
    }
    
    

    运行结果:

    第一次办理身份证,生成身份ID!
    重复办理身份证,获取其身份证ID!
    身份证号码是否一致?true
    第一次号码:404404404404404404
    第二次号码:404404404404404404
    内容是否相同?true
    对象是否相同?true
    
  • 实例二:打印池
    在这里插入图片描述

    package singletonPattern;
    public class PrintSpoolerSingleTon {
    	private static PrintSpoolerSingleTon instance = null;
    	
    	private PrintSpoolerSingleTon() {
    		
    	}
    	public static PrintSpoolerSingleTon getInstence() throws PrintSpoolerException{
    		if(instance == null) {
    			System.out.println("创建打印池!");
    			instance = new PrintSpoolerSingleTon();
    		}else {
    			throw new PrintSpoolerException("打印池正在工作中!");
    		}
    		return instance;
    	}
    	
    	public void manageJob() {
    		System.out.println("管理打印!");
    	}
    }
    

6、模式优缺点

  • 优点
    • 提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例,所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它,并为设计及开发团队提供了共享的概念。
    • 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,对于一些需要频繁创建和销毁的对象,单例模式无疑可以提高系统的性能。
    • 允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展,使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。
  • 缺点
    • 由于单例模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。
    • 单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色,提供了工厂方法,同时又充当了产品角色,包含一些业务方法,将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
    • 滥用单例将带来一些负面问题,如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类,可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出;现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术,因此,如果实例化的对象长时间不被利用,系统会认为它是垃圾,会自动销毁并回收资源,下次利用时又将重新实例化,这将导致对象状态的丢失。

7、 模式适用环境

  • 系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
  • 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点,除了该公共访问点,不能通过其他途径访问该实例。
  • 在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来,如果一个类可以有几个实例共存,就需要对单例模式进行改进,使之成为多例模式。

8、模式扩展

  • 饿汉式单例类
    在这里插入图片描述
  • 懒汉式单例类
    在这里插入图片描述
  • 饿汉式单例与懒汉式单例类比较
    • 饿汉式单例类在自己被加载时就将自己实例化。单从资源利用效率角度来讲,这个比懒汉式单例类稍差些。从速度和反应时间角度来讲,则比懒汉式单例类稍好些。
    • 懒汉式单例类在实例化时,必须处理好在多个线程同时首次引用此类时的访问限制问题,特别是当单例类作为资源控制器,在实例化时必然涉及资源初始化,而资源初始化很有可能耗费大量时间,这意味着出现多线程同时首次引用此类的机率变得较大,需要通过同步化机制进行控制。
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