完整教程：【设计模式笔记17】：单例模式1-模式分析

文章目录

• • • 六、 单例模式
    • • 1. 模式动机
      • 2. 模式定义
      • 3. 结构及角色分析
      • 4. 模式实现步骤分解
      • 5. 完整代码示例与验证

六、 单例模式

1. 模式动机

• 模式名称: 单例模式 (Singleton)
• 核心动机: 在整个软件系统中，对于某些类来说，有且只能有一个实例。保证这个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。
• 现实场景举例:
  • 窗口管理器: 一个系统通常只有一个窗口管理器，负责管理所有窗口的层级、位置等。
  • 打印机假脱机服务: 系统中可以连接许多打印机，但只能有一个打印任务队列（假脱机服务）来统一管理和调度打印工作。
  • 配置文件读取类: 一个应用的配置信息通常是唯一的，用一个单例对象来读取和提供配置，可以避免重复读取和数据不一致。
• 需要解决的问题: 我们怎样才能保证一个类只有一个实例，并且让系统中的任何部分都能方便地访问到这个唯一的实例呢？
• 核心解决办法: 让类自身负责保存它的唯一实例。这个类必须保证没有其它实例被创建，并且它可以提供一个方法来访问该实例。

2. 模式定义

• 定义: 单例模式(Singleton Pattern)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。这个类被称为单例类，它提供全局访问的方法。
• 三大要点:
  1. 唯一实例: 某个类只能有一个实例。这是单例模式的根本。
  2. 自行创建: 它必须自行创建这个唯一的实例。创建的控制权在类的内部，而不是外部。
  3. 提供实例: 它必须自行向整个系统提供这个实例。这意味着它需要提供一个全局访问点，并且在单例类的外部无法使用 new 关键字创建。
• 分类: 单例模式是一种对象创建型模式。

3. 结构及角色分析

单例模式的结构非常简单，只包含一个角色，即单例类 (Singleton)。

图片描述：一个名为Singleton的类图。其中包含：

• 一个私有的、静态的、自身类型的属性 instance: Singleton。
• 一个私有的构造方法 Singleton()。
• 一个公有的、静态的、返回自身类型的方法 getInstance(): Singleton。
  图中还有一个从类指向自身属性的菱形聚合符号，以及一个从 getInstance 方法指向 instance 属性的箭头，表示该方法会返回这个实例。

4. 模式实现步骤分解

为了实现单例模式的三个要点，我们需要一步步地构建这个类。

• 第一步：私有化构造方法

  • 目的: 防止外部通过 new 关键字随意创建实例。
  • 分析: 要想在运行期间控制一个类的实例只有一个，首要任务就是要控制创建实例的地方。如果构造方法是公有的，那么在类的外部就可以随处 new，实例的数量就失控了。
  • 实现: 将构造方法声明为 private。

  private Singleton() {}

• 第二步：提供获取实例的方法

  • 问题: 构造方法被私有化了，外部创建不了实例，也就无法调用对象的方法，这不行。
  • 解决: 单例类必须自己提供一个公有的方法，用来返回它内部创建好的那个唯一实例。

  // 初始设想，但有问题
  public Singleton getInstance() {}

• 第三步：将获取实例的方法静态化

  • 问题: 上一步定义的是一个实例方法。要调用实例方法，必须先得有类的实例。这就陷入了一个“鸡生蛋，蛋生鸡”的死循环：为了获取实例，你得先有一个实例。
  • 解决: 在方法上加上 static 关键字，使其成为一个类方法。这样就可以直接通过 类名.方法名() 的方式来调用，而不需要先得到类实例。

  public static Singleton getInstance() {}

• 第四步：定义存储实例的静态属性

  • 问题: getInstance() 方法的内部该如何实现？如果直接 return new Singleton();，那么每次调用都会创建一个新的实例，这违背了单例的初衷。
  • 解决: 在类内部用一个属性来记录（存储）已经创建好的那个唯一实例。当第一次创建后，就把实例保存在这个属性里，以后就直接复用这个实例，而不是重新创建。
  • 为什么要静态化: 因为这个属性需要在静态方法getInstance() 里面使用，而静态方法只能访问静态成员。所以这个存储实例的属性也必须是 static 的。

  private static Singleton instance = null;

• 第五步：实现控制实例创建的逻辑

  • 目的: 在 getInstance() 方法里实现对实例创建的控制。
  • 逻辑:
    1. 先判断存储实例的静态属性 instance 是否有值（是否为 null）。
    2. 如果为 null，说明这是第一次调用，还没有创建过实例。此时，就 new 一个实例，并把它赋值给 instance 属性。
    3. 如果 instance 不为 null，说明之前已经创建过实例了。
    4. 最后，无论是否新建，都返回 instance 属性中存储的那个实例。

  public static Singleton getInstance() {
  // 先判断instance是否有值
  if (instance == null) {
  // 如果没有值，说明还没有创建过实例，那就创建一个
  // 并把这个实例设置给instance
  instance = new Singleton();
  }
  // 如果有值，或者是创建了值，那就直接使用
  return instance;
  }

5. 完整代码示例与验证

将以上所有步骤组合起来，就得到了一个基础的单例模式实现。

这种实现方式被称为“懒汉式”，因为它是等到第一次需要时才创建实例

• 完整实现

• 验证代码

// 验证逻辑
public static void main(String[] args) {
Singleton singletonOne = Singleton.getInstance();
Singleton singletonTwo = Singleton.getInstance();
if (singletonOne.equals(singletonTwo)) {
// 在Java中，对于引用类型，== 和 .equals() 在未重写时行为一致，都比较地址
System.out.println("singletonOne 和 singletonTwo 代表的是同一个实例");
} else {
System.out.println("singletonOne 和 singletonTwo 代表的是不同实例");
}
}

• 预期结果: 程序会输出“singletonOne 和 singletonTwo 代表的是同一个实例”，从而证明了单例模式的正确性。