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作為對(duì)象的創(chuàng)建模式[GOF95]， 單例模式確保某一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例，而且自行實(shí)例化并向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例。這個(gè)類(lèi)稱(chēng)為單例類(lèi)。
注：本文乃閻宏博士的《Java與模式》一書(shū)的第十五章。
引言
單例模式的要點(diǎn)
單例單例
顯然單例模式的要點(diǎn)有三個(gè)；一是某各類(lèi)只能有一個(gè)實(shí)例；二是它必須自行創(chuàng)建這個(gè)事例；三是它必須自行向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例。在下面的對(duì)象圖中，有一個(gè)"單例對(duì)象"，而"客戶(hù)甲"、"客戶(hù)乙" 和"客戶(hù)丙"是單例對(duì)象的三個(gè)客戶(hù)對(duì)象。可以看到，所有的客戶(hù)對(duì)象共享一個(gè)單例對(duì)象。而且從單例對(duì)象到自身的連接線(xiàn)可以看出，單例對(duì)象持有對(duì)自己的引用。
資源管理
一些資源管理器常常設(shè)計(jì)成單例模式。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要管理的資源包括軟件外部資源，譬如每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有若干個(gè)打印機(jī)，但只能有一個(gè)Printer Spooler， 以避免兩個(gè)打印作業(yè)同時(shí)輸出到打印機(jī)中。每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有若干傳真卡，但是只應(yīng)該有一個(gè)軟件負(fù)責(zé)管理傳真卡，以避免出現(xiàn)兩份傳真作業(yè)同時(shí)傳到傳真卡中的情況。每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有若干通信端口，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)集中管理這些通信端口，以避免一個(gè)通信端口同時(shí)被兩個(gè)請(qǐng)求同時(shí)調(diào)用。
需要管理的資源包括軟件內(nèi)部資源，譬如，大多數(shù)的軟件都有一個(gè)（甚至多個(gè)）屬性（properties）文件存放系統(tǒng)配置。這樣的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由一個(gè)對(duì)象來(lái)管理一個(gè)屬性文件。
需要管理的軟件內(nèi)部資源也包括譬如負(fù)責(zé)記錄網(wǎng)站來(lái)訪(fǎng)人數(shù)的部件，記錄軟件系統(tǒng)內(nèi)部事件、出錯(cuò)信息的部件，或是對(duì)系統(tǒng)的表現(xiàn)進(jìn)行檢查的部件等。這些部件都必須集中管理，不可政出多頭。
這些資源管理器構(gòu)件必須只有一個(gè)實(shí)例，這是其一；它們必須自行初始化，這是其二；允許整個(gè)系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)自己這是其三。因此，它們都滿(mǎn)足單例模式的條件，是單例模式的應(yīng)用。
一個(gè)例子：Windows 回收站
Windows 9x 以后的視窗系統(tǒng)中都有一個(gè)回收站，下圖就顯示了Windows 2000 的回收站。
在整個(gè)視窗系統(tǒng)中，回收站只能有一個(gè)實(shí)例，整個(gè)系統(tǒng)都使用這個(gè)惟一的實(shí)例，而且回收站自行提供自己的實(shí)例。因此，回收站是單例模式的應(yīng)用。
雙重檢查成例
在本章最后的附錄里研究了雙重檢查成例。雙重檢查成例與單例模式并無(wú)直接的關(guān)系，但是由于很多C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)師在單例模式里面使用雙重檢查成例，所以這一做法也被很多Java 設(shè)計(jì)師所模仿。因此，本書(shū)在附錄里提醒讀者，雙重檢查成例在Java 語(yǔ)言里并不能成立，詳情請(qǐng)見(jiàn)本章的附錄。
單例模式的結(jié)構(gòu)
單例模式有以下的特點(diǎn)：
.. 單例類(lèi)只可有一個(gè)實(shí)例。
.. 單例類(lèi)必須自己創(chuàng)建自己這惟一的實(shí)例。
.. 單例類(lèi)必須給所有其他對(duì)象提供這一實(shí)例。
雖然單例模式中的單例類(lèi)被限定只能有一個(gè)實(shí)例，但是單例模式和單例類(lèi)可以很容易被推廣到任意且有限多個(gè)實(shí)例的情況，這時(shí)候稱(chēng)它為多例模式（Multiton Pattern） 和多例類(lèi)（Multiton Class），請(qǐng)見(jiàn)"專(zhuān)題：多例（Multiton ）模式與多語(yǔ)言支持"一章。單例類(lèi)的簡(jiǎn)略類(lèi)圖如下所示。
由于Java 語(yǔ)言的特點(diǎn)，使得單例模式在Java 語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)上有自己的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)主要表現(xiàn)在單例類(lèi)如何將自己實(shí)例化上。
餓漢式單例類(lèi)餓漢式單例類(lèi)是在Java 語(yǔ)言里實(shí)現(xiàn)得最為簡(jiǎn)便的單例類(lèi)，下面所示的類(lèi)圖描述了一個(gè)餓漢式單例類(lèi)的典型實(shí)現(xiàn)。
從圖中可以看出，此類(lèi)已經(jīng)自已將自己實(shí)例化。
代碼清單1：餓漢式單例類(lèi)
public class EagerSingleton
{
private static final EagerSingleton m_instance =
new EagerSingleton();
/**
* 私有的默認(rèn)構(gòu)造子
*/
private EagerSingleton() { }
/**
* 靜態(tài)工廠(chǎng)方法
*/
public static EagerSingleton getInstance()
{
·224·Java 與模式
return m_instance;
}
}
讀者可以看出，在這個(gè)類(lèi)被加載時(shí)，靜態(tài)變量m_instance 會(huì)被初始化，此時(shí)類(lèi)的私有構(gòu)造子會(huì)被調(diào)用。這時(shí)候，單例類(lèi)的惟一實(shí)例就被創(chuàng)建出來(lái)了。
Java 語(yǔ)言中單例類(lèi)的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是類(lèi)的構(gòu)造子是私有的，從而避免外界利用構(gòu)造子直接創(chuàng)建出任意多的實(shí)例。值得指出的是，由于構(gòu)造子是私有的，因此，此類(lèi)不能被繼承。
懶漢式單例類(lèi)
與餓漢式單例類(lèi)相同之處是，類(lèi)的構(gòu)造子是私有的。與餓漢式單例類(lèi)不同的是，懶漢式單例類(lèi)在第一次被引用時(shí)將自己實(shí)例化。如果加載器是靜態(tài)的，那么在懶漢式單例類(lèi)被加載時(shí)不會(huì)將自己實(shí)例化。如下圖所示，類(lèi)圖中給出了一個(gè)典型的餓漢式單例類(lèi)實(shí)現(xiàn)。
代碼清單2：懶漢式單例類(lèi)
package com.javapatterns.singleton.demos;
public class LazySingleton
{
private static LazySingleton
m_instance = null;
/**
* 私有的默認(rèn)構(gòu)造子，保證外界無(wú)法直接實(shí)例化
*/
private LazySingleton() { }
/**
* 靜態(tài)工廠(chǎng)方法，返還此類(lèi)的惟一實(shí)例
*/
synchronized public static LazySingleton
getInstance()
{
if (m_instance == null)
{
m_instance = new LazySingleton();
}
return m_instance;
}
}
讀者可能會(huì)注意到，在上面給出懶漢式單例類(lèi)實(shí)現(xiàn)里對(duì)靜態(tài)工廠(chǎng)方法使用了同步化，以處理多線(xiàn)程環(huán)境。有些設(shè)計(jì)師在這里建議使用所謂的"雙重檢查成例"。必須指出的是，"雙重檢查成例"不可以在Java 語(yǔ)言中使用。不十分熟悉的讀者，可以看看后面給出的小節(jié)。
同樣，由于構(gòu)造子是私有的，因此，此類(lèi)不能被繼承。餓漢式單例類(lèi)在自己被加載時(shí)就將自己實(shí)例化。即便加載器是靜態(tài)的，在餓漢式單例類(lèi)被加載時(shí)仍會(huì)將自己實(shí)例化。單從資源利用效率角度來(lái)講，這個(gè)比懶漢式單例類(lèi)稍差些。
從速度和反應(yīng)時(shí)間角度來(lái)講，則比懶漢式單例類(lèi)稍好些。然而，懶漢式單例類(lèi)在實(shí)例化時(shí)， 必須處理好在多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)首次引用此類(lèi)時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)限制問(wèn)題，特別是當(dāng)單例類(lèi)作為資源控制器，在實(shí)例化時(shí)必然涉及資源初始化，而資源初始化很有可能耗費(fèi)時(shí)間。這意味著出現(xiàn)多線(xiàn)程同時(shí)首次引用此類(lèi)的機(jī)率變得較大。
餓漢式單例類(lèi)可以在Java 語(yǔ)言?xún)?nèi)實(shí)現(xiàn)， 但不易在C++ 內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殪o態(tài)初始化在C++ 里沒(méi)有固定的順序，因而靜態(tài)的m_instance 變量的初始化與類(lèi)的加載順序沒(méi)有保證，可能會(huì)出問(wèn)題。這就是為什么GoF 在提出單例類(lèi)的概念時(shí)，舉的例子是懶漢式的。他們的書(shū)影響之大，以致Java 語(yǔ)言中單例類(lèi)的例子也大多是懶漢式的。實(shí)際上，本書(shū)認(rèn)為餓漢式單例類(lèi)更符合Java 語(yǔ)言本身的特點(diǎn)。
登記式單例類(lèi)
登記式單例類(lèi)是GoF 為了克服餓漢式單例類(lèi)及懶漢式單例類(lèi)均不可繼承的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。本書(shū)把他們的例子翻譯為Java 語(yǔ)言，并將它自己實(shí)例化的方式從懶漢式改為餓漢式。只是它的子類(lèi)實(shí)例化的方式只能是懶漢式的， 這是無(wú)法改變的。如下圖所示是登記式單例類(lèi)的一個(gè)例子，圖中的關(guān)系線(xiàn)表明，此類(lèi)已將自己實(shí)例化。
代碼清單3：登記式單例類(lèi)
import java.util.HashMap;
public class RegSingleton
{
static private HashMap m_registry = new HashMap();
static
{
RegSingleton x = new RegSingleton();
m_registry.put( x.getClass().getName() ， x);
}
/**
* 保護(hù)的默認(rèn)構(gòu)造子
*/
protected RegSingleton() {}
/**
* 靜態(tài)工廠(chǎng)方法，返還此類(lèi)惟一的實(shí)例
*/
static public RegSingleton getInstance(String name)
{
if (name == null)
{
name = "com.javapatterns.singleton.demos.RegSingleton";
}
if (m_registry.get(name) == null)
{
try
{
m_registry.put( name，
Class.forName(name).newInstance() ) ;
}
catch(Exception e)
{
System.out.println("Error happened.");
}
}
return (RegSingleton) (m_registry.get(name) );
}
/**
* 一個(gè)示意性的商業(yè)方法
*/
public String about()
{
return "Hello， I am RegSingleton.";
}
}
它的子類(lèi)RegSingletonChild 需要父類(lèi)的幫助才能實(shí)例化。下圖所示是登記式單例類(lèi)子類(lèi)的一個(gè)例子。圖中的關(guān)系表明，此類(lèi)是由父類(lèi)將子類(lèi)實(shí)例化的。
下面是子類(lèi)的源代碼。
代碼清單4：登記式單例類(lèi)的子類(lèi)
import java.util.HashMap;
public class RegSingletonChild extends RegSingleton
{
public RegSingletonChild() {}
/**
* 靜態(tài)工廠(chǎng)方法
*/
static public RegSingletonChild getInstance()
{
return (RegSingletonChild)
RegSingleton.getInstance(
"com.javapatterns.singleton.demos.RegSingletonChild" );
}
/**
* 一個(gè)示意性的商業(yè)方法
*/
public String about()
{
return "Hello， I am RegSingletonChild.";
}
}
在GoF 原始的例子中，并沒(méi)有g(shù)etInstance() 方法，這樣得到子類(lèi)必須調(diào)用的getInstance(String name)方法并傳入子類(lèi)的名字，因此很不方便。本章在登記式單例類(lèi)子類(lèi)的例子里，加入了getInstance() 方法，這樣做的好處是RegSingletonChild 可以通過(guò)這個(gè)方法，返還自已的實(shí)例。而這樣做的缺點(diǎn)是，由于數(shù)據(jù)類(lèi)型不同，無(wú)法在RegSingleton 提供這樣一個(gè)方法。由于子類(lèi)必須允許父類(lèi)以構(gòu)造子調(diào)用產(chǎn)生實(shí)例，因此，它的構(gòu)造子必須是公開(kāi)的。這樣一來(lái)，就等于允許了以這樣方式產(chǎn)生實(shí)例而不在父類(lèi)的登記中。這是登記式單例類(lèi)的一個(gè)缺點(diǎn)。
GoF 曾指出，由于父類(lèi)的實(shí)例必須存在才可能有子類(lèi)的實(shí)例，這在有些情況下是一個(gè)浪費(fèi)。這是登記式單例類(lèi)的另一個(gè)缺點(diǎn)。
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