设计模式之单例模式

经典的设计模式有23种，但是在日常开发中常用的设计模式可能还不到一半，如果随便抓一个程序员让他讲下熟悉的设计模式，那么我猜肯定会包含单例模式。 学习单例模式之前有这么几个问题：

• 为什么要使用单例？
• 单例存在哪些问题？
• 单例与静态类的区别？
• 有何替代的解决方案？ 下面就通过这篇文章来回答上述几个问题。

为什么要使用单例？

单例设计模式（Singleton Design Pattern）理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。那么单例模式有什么好处呢？或者说可以解决哪些问题？

1.处理资源访问冲突

你可能会说资源访问冲突那直接在该‘对象’加锁不就行了吗？实际上，解决资源竞争问题的办法有很多，分布式锁是最常听到的一种解决方案。不过，实现一个安全可靠、无 bug、高性能的分布式锁，并不是件容易的事情。除此之外，并发队列（BlockingQueue）也可以解决这个问题。但这种方式实现起来也稍微有点复杂。 相对于这两种解决方案，单例模式的解决思路就简单一些了。单例模式相对于之前类级别锁的好处是，使用时不用创建那么多对象，一方面节省内存空间，另一方面节省系统文件句柄（对于操作系统来说，文件句柄也是一种资源，不能随便浪费）。

2.表示全局唯一类

从业务概念上，如果有些数据在系统中只应保存一份，那就比较适合设计为单例类。比如，配置信息类。在系统中，我们只有一个配置文件，当配置文件被加载到内存之后，以对象的形式存在，也理所应当只有一份。

单例的实现方式有哪些？

要实现一个单例，必须要满足以下几个要素：

• 构造函数需要是 private 访问权限的，这样才能避免外部通过 new 创建实例；
• 考虑对象创建时的线程安全问题；
• 考虑是否支持延迟加载；
• 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。

下面就介绍几种经典的实现方式：

1.饿汉式

饿汉式的实现方式比较简单。在类加载的时候，instance 静态实例就已经创建并初始化好了，所以，instance 实例的创建过程是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载，从名字中我们也可以看出这一点。具体的代码实现如下所例：

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

有人觉得这种实现方式不好，因为不支持延迟加载，如果实例占用资源多（比如占用内存多）或初始化耗时长（比如需要加载各种配置文件），提前初始化实例是一种浪费资源的行为。最好的方法应该在用到的时候再去初始化。不过，我个人并不认同这样的观点。 如果初始化耗时长，那我们最好不要等到真正要用它的时候，才去执行这个耗时长的初始化过程，这会影响到系统的性能（比如，在响应客户端接口请求的时候，做这个初始化操作，会导致此请求的响应时间变长，甚至超时）。采用饿汉式实现方式，将耗时的初始化操作，提前到程序启动的时候完成，这样就能避免在程序运行的时候，再去初始化导致的性能问题。 如果实例占用资源多，按照 fail-fast 的设计原则（有问题及早暴露），那我们也希望在程序启动时就将这个实例初始化好。如果资源不够，就会在程序启动的时候触发报错（比如 Java 中的 PermGen Space OOM），我们可以立即去修复。这样也能避免在程序运行一段时间后，突然因为初始化这个实例占用资源过多，导致系统崩溃，影响系统的可用性

2.懒汉式

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。具体的代码实现如下所示：

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static synchronized IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new IdGenerator();
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

不过懒汉式的缺点也很明显，我们给 getInstance() 这个方法加了一把大锁（synchronzed），导致这个函数的并发度很低。量化一下的话，并发度是 1，也就相当于串行操作了。而这个函数是在单例使用期间，一直会被调用。如果这个单例类偶尔会被用到，那这种实现方式还可以接受。但是，如果频繁地用到，那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题，会导致性能瓶颈，这种实现方式就不可取了

3.双重检测

饿汉式不支持延迟加载，懒汉式有性能问题，不支持高并发。那我们再来看一种既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式，也就是双重检测实现方式。 在这种实现方式中，只要 instance 被创建之后，即便再调用 getInstance() 函数也不会再进入到加锁逻辑中了。所以，这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。具体的代码实现如下所示：

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

有人说，这种实现方式有些问题。因为指令重排序，可能会导致 IdGenerator 对象被 new 出来，并且赋值给 instance 之后，还没来得及初始化（执行构造函数中的代码逻辑），就被另一个线程使用了。 要解决这个问题，我们需要给 instance 成员变量加上 volatile 关键字，禁止指令重排序才行。实际上，只有很低版本的 Java 才会有这个问题。我们现在用的高版本的 Java 已经在 JDK 内部实现中解决了这个问题（解决的方法很简单，只要把对象 new 操作和初始化操作设计为原子操作，就自然能禁止重排序）。

4.静态内部类

我们再来看一种比双重检测更加简单的实现方法，那就是利用 Java 的静态内部类。它有点类似饿汉式，但又能做到了延迟加载。具体是怎么做到的呢？我们先来看它的代码实现。

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private IdGenerator() {}

  private static class SingletonHolder{
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  }
  
  public static IdGenerator getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }
 
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。

5.枚举

最后，我们介绍一种最简单的实现方式，基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。具体的代码如下所示：

public enum IdGenerator {
  INSTANCE;
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
 
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。

单例存在哪些问题？

大部分情况下，我们在项目中使用单例，都是用它来表示一些全局唯一类，比如配置信息类、连接池类、ID 生成器类。单例模式书写简洁、使用方便，在代码中，我们不需要创建对象，直接通过类似 IdGenerator.getInstance().getId() 这样的方法来调用就可以了。但是，这种使用方法有点类似硬编码（hard code），会带来诸多问题。

1.单例对 OOP 特性的支持不友好

我们知道，OOP 的四大特性是封装、抽象、继承、多态。单例这种设计模式对于其中的抽象、继承、多态都支持得不好。为什么这么说呢？我们还是通过 IdGenerator 这个例子来讲解。

public class Order {
  public void create(...) {
    //...
    long id = IdGenerator.getInstance().getId();
    //...
  }
}

public class User {
  public void create(...) {
    // ...
    long id = IdGenerator.getInstance().getId();
    //...
  }
}

IdGenerator 的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则，也就违背了广义上理解的 OOP 的抽象特性。如果未来某一天，我们希望针对不同的业务采用不同的 ID 生成算法。比如，订单 ID 和用户 ID 采用不同的 ID 生成器来生成。为了应对这个需求变化，我们需要修改所有用到 IdGenerator 类的地方，这样代码的改动就会比较大。 除此之外，单例对继承、多态特性的支持也不友好。这里我之所以会用“不友好”这个词，而非“完全不支持”，是因为从理论上来讲，单例类也可以被继承、也可以实现多态，只是实现起来会非常奇怪，会导致代码的可读性变差。不明白设计意图的人，看到这样的设计，会觉得莫名其妙。所以，一旦你选择将某个类设计成到单例类，也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。

2.单例会隐藏类之间的依赖关系

我们知道，代码的可读性非常重要。在阅读代码的时候，我们希望一眼就能看出类与类之间的依赖关系，搞清楚这个类依赖了哪些外部类。 通过构造函数、参数传递等方式声明的类之间的依赖关系，我们通过查看函数的定义，就能很容易识别出来。但是，单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂，这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候，我们就需要仔细查看每个函数的代码实现，才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。

3.单例对代码的扩展性不友好

我们知道，单例类只能有一个对象实例。如果未来某一天，我们需要在代码中创建两个实例或多个实例，那就要对代码有比较大的改动。你可能会说，会有这样的需求吗？既然单例类大部分情况下都用来表示全局类，怎么会需要两个或者多个实例呢？ 实际上，这样的需求并不少见。我们拿数据库连接池来举例解释一下。 在系统设计初期，我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池，这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以，我们把数据库连接池类设计成了单例类。但之后我们发现，系统中有些 SQL 语句运行得非常慢。这些 SQL 语句在执行的时候，长时间占用数据库连接资源，导致其他 SQL 请求无法响应。为了解决这个问题，我们希望将慢 SQL 与其他 SQL 隔离开来执行。为了实现这样的目的，我们可以在系统中创建两个数据库连接池，慢 SQL 独享一个数据库连接池，其他 SQL 独享另外一个数据库连接池，这样就能避免慢 SQL 影响到其他 SQL 的执行。 如果我们将数据库连接池设计成单例类，显然就无法适应这样的需求变更，也就是说，单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。所以，数据库连接池、线程池这类的资源池，最好还是不要设计成单例类。实际上，一些开源的数据库连接池、线程池也确实没有设计成单例类。

4.单例对代码的可测试性不友好

单例模式的使用会影响到代码的可测试性。如果单例类依赖比较重的外部资源，比如 DB，我们在写单元测试的时候，希望能通过 mock 的方式将它替换掉。而单例类这种硬编码式的使用方式，导致无法实现 mock 替换。 除此之外，如果单例类持有成员变量（比如 IdGenerator 中的 id 成员变量），那它实际上相当于一种全局变量，被所有的代码共享。如果这个全局变量是一个可变全局变量，也就是说，它的成员变量是可以被修改的，那我们在编写单元测试的时候，还需要注意不同测试用例之间，修改了单例类中的同一个成员变量的值，从而导致测试结果互相影响的问题。

5.单例不支持有参数的构造函数

单例不支持有参数的构造函数，比如我们创建一个连接池的单例对象，我们没法通过参数来指定连接池的大小。

单例与静态类的区别？

单例和静态类的区别主要有以下几点：

• 单例模式会提供给你一个全局唯一的对象，静态类只是提供给你很多静态方法，这些方法不用创建对象，通过类就可以直接调用；
• 单例模式的灵活性更高，方法可以被override，因为静态类都是静态方法，所以不能被override；
• 如果是一个非常重的对象，单例模式可以懒加载，静态类就无法做到；

那么时候时候应该用静态类，什么时候应该用单例模式呢？首先如果你只是想使用一些工具方法，那么最好用静态类，静态类比单例类更快，因为静态的绑定是在编译期进行的。如果你要维护状态信息，或者访问资源时，应该选用单例模式。

单例有什么替代解决方案？

为了保证全局唯一，除了使用单例，我们还可以用静态方法来实现。不过，静态方法这种实现思路，并不能解决我们之前提到的问题。如果要完全解决这些问题，我们可能要从根上，寻找其他方式来实现全局唯一类了。比如，通过工厂模式、IOC 容器（比如 Spring IOC 容器）来保证。 有人把单例当作反模式，主张杜绝在项目中使用。我个人觉得这有点极端。模式没有对错，关键看你怎么用。如果单例类并没有后续扩展的需求，并且不依赖外部系统，那设计成单例类就没有太大问题。对于一些全局的类，我们在其他地方 new 的话，还要在类之间传来传去，不如直接做成单例类，使用起来简洁方便。