作者：劉湛    來(lái)自：IBM

　　本文介紹了設(shè)計(jì)模式中 Singleton 的基本概念,對(duì)其功能和用途進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析,列出了通常實(shí)現(xiàn) Singleton 的幾種方法,并給出了詳細(xì)的Java 代碼.

　　基本概念

　　Singleton 是一種創(chuàng)建性模型,它用來(lái)確保只產(chǎn)生一個(gè)實(shí)例,并提供一個(gè)訪問(wèn)它的全局訪問(wèn)點(diǎn).對(duì)一些類來(lái)說(shuō),保證只有一個(gè)實(shí)例是很重要的,比如有的時(shí)候,數(shù)據(jù)庫(kù)連接或 Socket 連接要受到一定的限制,必須保持同一時(shí)間只能有一個(gè)連接的存在.再舉個(gè)例子,集合中的 set 中不能包含重復(fù)的元素,添加到set里的對(duì)象必須是唯一的,如果重復(fù)的值添加到 set,它只接受一個(gè)實(shí)例.JDK中正式運(yùn)用了Singleton模式來(lái)實(shí)現(xiàn) set 的這一特性,大家可以查看java.util.Collections里的內(nèi)部靜態(tài)類SingletonSet的原代碼.其實(shí)Singleton是最簡(jiǎn)單但也是應(yīng)用最廣泛的模式之一,在 JDK 中隨處可見(jiàn).

　　簡(jiǎn)單分析

　　為了實(shí)現(xiàn) Singleton 模式,我們需要的是一個(gè)靜態(tài)的變量,能夠在不創(chuàng)建對(duì)象的情況下記憶是否已經(jīng)產(chǎn)生過(guò)實(shí)例了.靜態(tài)變量或靜態(tài)方法都可以在不產(chǎn)生具體實(shí)例的情況下直接調(diào)用,這樣的變量或方法不會(huì)因?yàn)轭惖膶?shí)例化而有所改變.在圖1的結(jié)構(gòu)中可以看到,uniqueInstance 就是這個(gè)獨(dú)立的靜態(tài)變量,它可以記憶對(duì)象是否已經(jīng)實(shí)例化了,在靜態(tài)方法 Instance 中對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行判斷,若沒(méi)有實(shí)例化過(guò)就產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象,如果已經(jīng)實(shí)例化了則不再產(chǎn)生新的對(duì)象,仍然返回以前產(chǎn)生的實(shí)例.

圖1: Singleton 模式結(jié)構(gòu)

　　具體實(shí)施

　　實(shí)現(xiàn) Singleton 模式的辦法通常有三種.

　　一. 用靜態(tài)方法實(shí)現(xiàn) Singleton

　　這種方法是使用靜態(tài)方法來(lái)監(jiān)視實(shí)例的創(chuàng)建.為了防止創(chuàng)建一個(gè)以上的實(shí)例,我們最好把構(gòu)造器聲明為 private.

　　這樣可以防止客戶程序員通過(guò)除由我們提供的方法之外的任意方式來(lái)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例,如果不把構(gòu)造器聲明為private,編譯器就會(huì)自作聰明的自動(dòng)同步一個(gè)默認(rèn)的friendly構(gòu)造器.這種實(shí)現(xiàn)方法是最常見(jiàn)的,也就是圖1中結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn).

        public class Singleton {
            private static Singleton s;
            private Singleton(){};
        /**
             * Class method to access the singleton instance of the class.
         */
        public static Singleton getInstance() {
         if (s == null)
            s = new Singleton();
          return s;
        }
}

// 測(cè)試類
class singletonTest {
  public static void main(String[] args) {
    Singleton s1 = Singleton.getInstance();
    Singleton s2 = Singleton.getInstance();
    if (s1==s2)
      System.out.println("s1 is the same instance with s2");
    else
      System.out.println("s1 is not the same instance with s2");
  }
}

　　singletonTest運(yùn)行結(jié)果是:
　　s1 is the same instance with s2
　　這證明我們只創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)例.

　　二. 以靜態(tài)變量為標(biāo)志實(shí)現(xiàn) Singleton

　　在類中嵌入一個(gè)靜態(tài)變量做為標(biāo)志,每次都在進(jìn)入構(gòu)造器的時(shí)候進(jìn)行檢查.

　　問(wèn)題在于構(gòu)造器沒(méi)有返回類型,如果確定創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例成功與否.一個(gè)方法是調(diào)用一個(gè)函數(shù)來(lái)檢查創(chuàng)建是否成功,然后簡(jiǎn)單的返回一個(gè)來(lái)自靜態(tài)變量的值,但是這樣做是不優(yōu)雅的,而且容易發(fā)生錯(cuò)誤.比較好的做法是創(chuàng)建一個(gè)當(dāng)創(chuàng)建了一個(gè)以上的實(shí)例時(shí)可以拋出異常的類,這個(gè)類僅僅是調(diào)用父類方法,好處是用了自己命名的異常類型,錯(cuò)誤信息更加清晰:

class SingletonException extends RuntimeException {
  public SingletonException(String s) {
    super(s);
  }
}

class Singleton {
  static boolean instance_flag = false; // true if 1 instance
  public Singleton() {
    if (instance_flag)
      throw new SingletonException("Only one instance allowed");
    else
      instance_flag = true; // set flag for 1 instance
  }
}

// 測(cè)試類

public class singletonTest {
  static public void main(String argv[]) {
    Singleton s1, s2;
    // create one incetance--this should always work
    System.out.println("Creating one instance");
    try {
      s1 = new Singleton();
    } catch (SingletonException e) {
      System.out.println(e.getMessage());
    }
    // try to create another spooler --should fail
    System.out.println("Creating two instance");
    try {
      s2 = new Singleton();
    } catch (SingletonException e) {
      System.out.println(e.getMessage());
    }
  }
}

　　singletonTest運(yùn)行結(jié)果是:
　　Creating one instance
　　Creating two instance
　　Only one instance allowed
　　可以看出,第一個(gè)實(shí)例順利創(chuàng)建,第二個(gè)實(shí)例創(chuàng)建實(shí)拋出了我們自定義的異常.

　　三. 用注冊(cè)器機(jī)制來(lái)創(chuàng)建 Singleton

　　首先用集合中的Hashtable 和Enumeration來(lái)實(shí)現(xiàn)addItem(Object key, Object value),getItem(Object key), ,removeItem(Object key)等方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)管理器,將key和value一一關(guān)聯(lián)起來(lái),客戶程序員創(chuàng)建實(shí)例前首先用addItem方法進(jìn)行注冊(cè),再用getItem方法獲取實(shí)例.Hashtable中的key是唯一的,從而保證創(chuàng)建的實(shí)例是唯一的,具體實(shí)現(xiàn)限于篇幅不再細(xì)說(shuō),在Prototype模型的應(yīng)用一文中我將會(huì)給出一個(gè)實(shí)現(xiàn)注冊(cè)器的代碼.用注冊(cè)器機(jī)制來(lái)創(chuàng)建 Singleton模式的好處是易于管理,可以同時(shí)控制多個(gè)不同類型的Singleton 實(shí)例.

　　小結(jié)

　　1. Singleton模式可以方便的進(jìn)行擴(kuò)充,產(chǎn)生指定數(shù)目的實(shí)例.

　　2. 在The Design Patterns Java Companion 一書(shū)中曾提到過(guò)用靜態(tài)類的方式來(lái)實(shí)現(xiàn) Singleton模式,并指出java.lang.Math就是一個(gè)例子,這里我并不表示贊同,因?yàn)镸ath并不是一個(gè)真正的對(duì)象,我們只是直接調(diào)用Math類所包裝的靜態(tài)方法而已,根本就沒(méi)有創(chuàng)建實(shí)例的過(guò)程,又從何說(shuō)起只產(chǎn)生一個(gè)實(shí)例呢?這個(gè)問(wèn)題我曾到Javaranch的論壇上發(fā)過(guò)帖子,所有回帖的人也都是對(duì)這一觀點(diǎn)持否定態(tài)度.

　　3. 在多線程的程序中,singleton可能會(huì)變的不可靠,可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)實(shí)例,解決的辦法很簡(jiǎn)單,加個(gè)同步修飾符: public static synchronized Singleton getInstance(). 這樣就保證了線程的安全性.

　　4. 最后要說(shuō)的是大家可能會(huì)看見(jiàn)一些其他實(shí)現(xiàn)Singleton模式的方法,因?yàn)槟Ｊ皆诰唧w的應(yīng)用時(shí)是靈活的,不是一成不變的,并沒(méi)有一個(gè)固定的做法,但大都是上面幾種方法的變形.