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单例模式

5
Aug
2006

单例模式

By Alex
/ in Architecture
/ tags 设计模式
0 Comments
模式定义

单例模式确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。单例模式的本质是控制实例的数目,因此也就有人引申出多例模式(Multiton)。

模式结构说明

软件系统中的某些对象要求只能有一个,例如线程池、缓存、对话框、设备驱动程序对象,如果出现多个实例,可能导致程序行为异常或者过度的资源消耗,此时就有必要引入单例模式。

单例模式的优点:

  1. 可以控制客户如何、何时访问单例
  2. 避免全局变量造成的名字空间污染
应用举例
Java中的单例模式

需要注意的是,在Java中,单例限定于单个ClassLoader之内。

在单线程环境下的单例模式标准代码如下:

Java
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public class Singleton{
    //私有化构造器,禁止外部实例化
    private Singleton(){}
    private static Singleton instance;
    //获取单例
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            //延迟实例化,亦可直接初始化静态变量,即立即实例化
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

在多线程环境下,上述代码会实现,可以修改方法为: public synchronized static Singleton getInstance() 解决,但是添加了同步控制的方法,可能导致程序执行效率下降数十倍,因此,你可以:

  1. 如果 getInstance() 不会被频繁的调用,可以不用管
  2. 使用立即初始化方式,在类被装载的时候就实例化单例
  3. 使用只有单元素的枚举来实现单例,是最优化的方式
  4. 可以利用ClassLoader的加载机制,化立即为延迟:
    Java
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    public class Singleton
    {
        //使用一个内部静态类,Eager方式加载单例
        private static class SingletonHolder{
            //JVM保证的线程安全性
            private static Singleton instance = new Singleton();
        }
     
        private Singleton(){}
     
        public static Singleton getInstance(){
            //由于类加载的同步性,下面代码可以保证获取同一个实例
            return SingletonHolder.instance;
        }
    }
  5. 在JDK1.5或者更高版本,可以使用“双重检查加锁”,减少同步范围:
    Java
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    private Singleton()
    {
    }
     
    //volatile屏蔽了一些JVM代码优化:
    //JVM不允许对volatile变量的写操作与其之前的任何读写操作进行重新排序
    //JVM不允许对volatile变量的读操作与其之后的任何读写操作进行重新排序
    private volatile static Singleton instance;
     
    public static Singleton getInstance()
    {
        if ( instance == null )
        { //没有同步的情况下:后续线程可能判断instance已经不为空,而此时对象尚未实例化
            synchronized ( Singleton.class )
            {
                if ( instance == null )
                    //如果没有volatile限定符,则
                    instance = //将对象地址写到该字段与
                        new Singleton(); //对象实例化的顺序是不可预测的
                /**
                 * 下面的伪代码示意了代码编写顺序
                 * 1 Singleton *ps = malloc();    分配内存地址
                 * 2 *ps = Singleton();           调用构造函数
                 * 3 instance = ps;               把构造完毕的对象赋值给instance
                 *
                 * 由于volatile的语义,禁止写操作3与它前面的读写操作进行重排序,因此可以
                 * 确保instance不为null时对象实例化已经完成
                 *
                 * 如果没有volatile,在JVM看来2和3没有直接关联,因此可以重排序,这就导致
                 * 了多线程下错误的语义(尽管在单线程下没有效果一样)
                 */
     
                //加了volatile后,确保对象实例化完成后,才赋值给变量
            }
        }
        return instance; //后续线程可能取得了不正确的对象
    }
经典应用
JDK中单例

JDK中有大量单例模式的应用,例如:

Java
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//运行时对象
Runtime.getRuntime();
//AWT中的单例
java.awt.Toolkit.getDefaultToolkit();
java.awt.GraphicsEnvironment.getLocalGraphicsEnvironment();
java.awt.Desktop.getDesktop();
ExtJS中的单例

ExtJS在其类机制中内置的单例模式的支持:

JavaScript
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Ext.define('Ext.Ajax', {
    extend: 'Ext.data.Connection',
    singleton: true,  //声明为单例
    request : function(options) {}
}
 
//对于单例的方法,可以直接使用类名调用:
Ext.Ajax.request(...);

ExtJS的API中包含很多单例,例如Ext、Ext.Ajax、Ext.data.JsonP等。

← 策略模式
观察者模式 →

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