前言

23 种经典的设计模式。它们又可以分为三大类:创建型、结构型、行为型。对于这 23 种设计模式的学习,我们要有侧重点,因为有些模式是比较常用的,有些模式是很少被用到的。对于常用的设计模式,我们要花多点时间理解掌握。对于不常用的设计模式,我们只需要稍微了解即可。按照类型和是否常用,对这些设计模式,进行了简单的分类,具体如下所示。

创建型

常用的有:单例模式、工厂模式(工厂方法和抽象工厂)、建造者模式。

不常用的有:原型模式。

结构型

常用的有:代理模式、桥接模式、装饰者模式、适配器模式。

不常用的有:门面模式、组合模式、享元模式。

行为型

常用的有:观察者模式、模板模式、策略模式、职责链模式、迭代器模式、状态模式。

不常用的有:访问者模式、备忘录模式、命令模式、解释器模式、中介模式。

单例模式【常用】

网上有很多讲解单例模式的文章,但大部分都侧重讲解,如何来实现一个线程安全的单例。今天也会讲到各种单例的实现方法,但是,重点还是希望带你搞清楚下面这样几个问题。

  • 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?

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。

对于单例的概念,我觉得没必要解释太多,你一看就能明白。我们重点看一下,为什么我们需要单例这种设计模式?它能解决哪些问题?接下来我通过两个实战案例来讲解。

实战案例一:处理资源访问冲突

我们先来看第一个例子。在这个例子中,我们自定义实现了一个往文件中打印日志的 Logger 类。具体的代码实现如下所示:

public class Logger {
private FileWriter writer;

public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}

public void log(String message) {
writer.write(message);
}
}

// Logger类的应用示例:
public class UserController {
private Logger logger = new Logger();

public void login(String username, String password) {
// ...省略业务逻辑代码...
logger.log(username + " logined!");
}
}

public class OrderController {
private Logger logger = new Logger();

public void create(OrderVo order) {
// ...省略业务逻辑代码...
logger.log("Created an order: " + order.toString());
}
}

在上面的代码中,我们注意到,所有的日志都写入到同一个文件 /Users/wangzheng/log.txt 中。在 UserController 和 OrderController 中,我们分别创建两个 Logger 对象。在 Web 容器的 Servlet 多线程环境下,如果两个 Servlet 线程同时分别执行 login() 和 create() 两个函数,并且同时写日志到 log.txt 文件中,那就有可能存在日志信息互相覆盖的情况。【这属于并发的知识点,看不懂的可以看笔者的并发系列】

那如何来解决这个问题呢?我们最先想到的就是通过加锁的方式:给 log() 函数加互斥锁,同一时刻只允许一个线程调用执行 log() 函数。

public class Logger {
private FileWriter writer;

public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}

public void log(String message) {
synchronized(this) {
writer.write(mesasge);
}
}
}

synchronized(this)这种对象级别的锁,锁不住,因为不同的对象之间并不共享同一把锁。所以我们换成类级别的锁。

public class Logger {
private FileWriter writer;

public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}

public void log(String message) {
synchronized(Logger.class) { // 类级别的锁
writer.write(mesasge);
}
}
}

除了使用类级别锁之外,实际上,解决资源竞争问题的办法还有很多,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(比如 Java 中的 BlockingQueue)也可以解决这个问题:多个线程同时往并发队列里写日志,一个单独的线程负责将并发队列中的数据,写入到日志文件。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,不用创建那么多 Logger 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)。

我们将 Logger 设计成一个单例类,程序中只允许创建一个 Logger 对象,所有的线程共享使用的这一个 Logger 对象,共享一个 FileWriter 对象,而 FileWriter 本身是对象级别线程安全的,也就避免了多线程情况下写日志会互相覆盖的问题。按照这个设计思路,我们实现了 Logger 单例类。具体代码如下所示:

public class Logger {
private FileWriter writer;
private static final Logger instance = new Logger();

private Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}

public static Logger getInstance() {
return instance;
}

public void log(String message) {
writer.write(mesasge);
}
}

// Logger类的应用示例:
public class UserController {
public void login(String username, String password) {
// ...省略业务逻辑代码...
Logger.getInstance().log(username + " logined!");
}
}

public class OrderController {
public void create(OrderVo order) {
// ...省略业务逻辑代码...
Logger.getInstance().log("Created a order: " + order.toString());
}
}

实战案例二: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。

再比如,唯一递增 ID 号码生成器。如果程序中有两个对象,那就会存在生成重复 ID 的情况,所以,我们应该将 ID 生成器类设计为单例。

public class IdGenerator {
// AtomicLong是一个Java并发库中提供的一个原子变量类型,
// 它将一些线程不安全需要加锁的复合操作封装为了线程安全的原子操作,
// 比如下面会用到的incrementAndGet().
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();
}
}

// IdGenerator使用举例
long id = IdGenerator.getInstance().getId();

如何实现一个单例?

尽管介绍如何实现一个单例模式的文章已经有很多了,但为了保证内容的完整性,我这里还是简单介绍一下几种经典实现方式。概括起来,要实现一个单例,我们需要关注的点无外乎下面几个:

  • 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)。

饿汉式(静态变量)

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(在真正用到 IdGenerator 的时候,再创建实例),从名字中我们也可以看出这一点。具体的代码实现如下所示:

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();
}
}
  1. 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
  2. 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。
  3. 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。(如果初始化消耗资源过多,反而推荐懒汉式,早日发现问题)

饿汉式(静态代码块)


public class SingletonTest02 {

public static void main(String[] args) {
// 测试
Singleton instance = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(instance == instance2); // true
System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
}
}

// 饿汉式(静态变量)

class Singleton {

// 1. 构造器私有化
private Singleton() {}

// 2.本类内部创建对象实例
private static Singleton instance;

static { // 在静态代码块中,创建单例对象
instance = new Singleton();
}

// 3. 提供一个公有的静态方法,返回实例对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}

没什么好说的,就是静态变量换成了静态代码块。

懒汉式(线程安全,同步方法)

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。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。

懒汉式(线程安全,同步代码块)

// 懒汉式(线程安全,同步代码块)
class Singleton {
private static Singleton instance;

private Singleton() {}

public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}

懒汉式(线程不安全)

class Singleton {
private static Singleton instance;

private Singleton() {}

// 提供一个静态的公有方法,当使用到该方法时,才去创建 instance
// 即懒汉式
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}

只是为了完整性,写了出来,实际开发不推荐用线程不安全的

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();
}
}

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。

据说,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)。

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。

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();
}
}

单例存在哪些问题?

尽管单例是一个很常用的设计模式,在实际的开发中,我们也确实经常用到它,但是,有些人认为单例是一种反模式(anti-pattern),并不推荐使用。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。接下来,我们就具体看看到底有哪些问题。

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。

public class Order {
public void create(...) {
//...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
// 需要将上面一行代码,替换为下面一行代码
long id = OrderIdGenerator.getIntance().getId();
//...
}
}

public class User {
public void create(...) {
// ...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
// 需要将上面一行代码,替换为下面一行代码
long id = UserIdGenerator.getIntance().getId();
}
}

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

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。

单例对代码的扩展性不友好

  1. 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?
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

单例对代码的可测试性不友好

  1. 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。

  2. 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。

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。针对这个问题,我们来看下都有哪些解决方案。

第一种解决思路是:创建完实例之后,再调用 init() 函数传递参数。需要注意的是,我们在使用这个单例类的时候,要先调用 init() 方法,然后才能调用 getInstance() 方法,否则代码会抛出异常。具体的代码实现如下所示:

public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private final int paramA;
private final int paramB;

private Singleton(int paramA, int paramB) {
this.paramA = paramA;
this.paramB = paramB;
}

public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
throw new RuntimeException("Run init() first.");
}
return instance;
}

public synchronized static Singleton init(int paramA, int paramB) {
if (instance != null){
throw new RuntimeException("Singleton has been created!");
}
instance = new Singleton(paramA, paramB);
return instance;
}
}

Singleton.init(10, 50); // 先init,再使用
Singleton singleton = Singleton.getInstance();

第二种解决思路是:将参数放到 getIntance() 方法中。具体的代码实现如下所示:

public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private final int paramA;
private final int paramB;

private Singleton(int paramA, int paramB) {
this.paramA = paramA;
this.paramB = paramB;
}

public synchronized static Singleton getInstance(int paramA, int paramB) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(paramA, paramB);
}
return instance;
}
}

Singleton singleton = Singleton.getInstance(10, 50);

不知道你有没有发现,上面的代码实现稍微有点问题。如果我们如下两次执行 getInstance() 方法,那获取到的 singleton1 和 signleton2 的 paramA 和 paramB 都是 10 和 50。也就是说,第二次的参数(20,30)没有起作用,而构建的过程也没有给与提示,这样就会误导用户。

Singleton singleton1 = Singleton.getInstance(10, 50);
Singleton singleton2 = Singleton.getInstance(20, 30);

第三种解决思路是:将参数放到另外一个全局变量中。具体的代码实现如下。Config 是一个存储了 paramA 和 paramB 值的全局变量。里面的值既可以像下面的代码那样通过静态常量来定义,也可以从配置文件中加载得到。实际上,这种方式是最值得推荐的。

public class Config {
public static final int PARAM_A = 123;
public static final int PARAM_B = 245;
}

public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private final int paramA;
private final int paramB;

private Singleton() {
this.paramA = Config.PARAM_A;
this.paramB = Config.PARAM_B;
}

public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

有何替代解决方案?

刚刚我们提到了单例的很多问题,你可能会说,即便单例有这么多问题,但我不用不行啊。我业务上有表示全局唯一类的需求,如果不用单例,我怎么才能保证这个类的对象全局唯一呢?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。这也是项目开发中经常用到的一种实现思路。比如, ID 唯一递增生成器的例子,用静态方法实现一下,就是下面这个样子:

// 静态方法实现方式
public class IdGenerator {
private static AtomicLong id = new AtomicLong(0);

public static long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
// 使用举例
long id = IdGenerator.getId();

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。实际上,它比单例更加不灵活,比如,它无法支持延迟加载。我们再来看看有没有其他办法。实际上,单例除了我们之前讲到的使用方法之外,还有另外一种使用方法。具体的代码如下所示:

// 1. 老的使用方式
public demofunction() {
//...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
//...
}

// 2. 新的使用方式:依赖注入
public demofunction(IdGenerator idGenerator) {
long id = idGenerator.getId();
}
// 外部调用demofunction()的时候,传入idGenerator
IdGenerator idGenerator = IdGenerator.getInsance();
demofunction(idGenerator);
  1. 基于新的使用方式,我们将单例生成的对象,作为参数传递给函数(也可以通过构造函数传递给类的成员变量),可以解决单例隐藏类之间依赖关系的问题。不过,对于单例存在的其他问题,比如对 OOP 特性、扩展性、可测性不友好等问题,还是无法解决。
  2. 所以,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。实际上,类对象的全局唯一性可以通过多种不同的方式来保证。我们既可以通过单例模式来强制保证,也可以通过工厂模式、IOC 容器(比如 Spring IOC 容器)来保证,还可以通过程序员自己来保证(自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象)。这就类似 Java 中内存对象的释放由 JVM 来负责,而 C++ 中由程序员自己负责,道理是一样的。
  3. 对于替代方案工厂模式、IOC 容器的详细讲解,我们放到后面讲解。

如何理解单例模式中的唯一性?

  1. 首先,我们重新看一下单例的定义:“一个类只允许创建唯一一个对象(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。
  2. ”定义中提到,“一个类只允许创建唯一一个对象”。那对象的唯一性的作用范围是什么呢?是指线程内只允许创建一个对象,还是指进程内只允许创建一个对象?答案是后者,也就是说,单例模式创建的对象是进程唯一的。这里有点不好理解,我来详细地解释一下。
  3. 我们编写的代码,通过编译、链接,组织在一起,就构成了一个操作系统可以执行的文件,也就是我们平时所说的“可执行文件”(比如 Windows 下的 exe 文件)。可执行文件实际上就是代码被翻译成操作系统可理解的一组指令,你完全可以简单地理解为就是代码本身。
  4. 当我们使用命令行或者双击运行这个可执行文件的时候,操作系统会启动一个进程,将这个执行文件从磁盘加载到自己的进程地址空间(可以理解操作系统为进程分配的内存存储区,用来存储代码和数据)。接着,进程就一条一条地执行可执行文件中包含的代码。比如,当进程读到代码中的 User user = new User(); 这条语句的时候,它就在自己的地址空间中创建一个 user 临时变量和一个 User 对象。进程之间是不共享地址空间的,如果我们在一个进程中创建另外一个进程(比如,代码中有一个 fork() 语句,进程执行到这条语句的时候会创建一个新的进程),操作系统会给新进程分配新的地址空间,并且将老进程地址空间的所有内容,重新拷贝一份到新进程的地址空间中,这些内容包括代码、数据(比如 user 临时变量、User 对象)。
  5. 所以,单例类在老进程中存在且只能存在一个对象,在新进程中也会存在且只能存在一个对象。而且,这两个对象并不是同一个对象,这也就说,单例类中对象的唯一性的作用范围是进程内的,在进程间是不唯一的。

如何实现线程唯一的单例?

  1. 刚刚我们讲了单例类对象是进程唯一的,一个进程只能有一个单例对象。那如何实现一个线程唯一的单例呢?

  2. 我们先来看一下,什么是线程唯一的单例,以及“线程唯一”和“进程唯一”的区别。

  3. “进程唯一”指的是进程内唯一,进程间不唯一。类比一下,“线程唯一”指的是线程内唯一,线程间可以不唯一。实际上,“进程唯一”还代表了线程内、线程间都唯一,这也是“进程唯一”和“线程唯一”的区别之处。这段话听起来有点像绕口令,我举个例子来解释一下。

  4. 假设 IdGenerator 是一个线程唯一的单例类。在线程 A 内,我们可以创建一个单例对象 a。因为线程内唯一,在线程 A 内就不能再创建新的 IdGenerator 对象了,而线程间可以不唯一,所以,在另外一个线程 B 内,我们还可以重新创建一个新的单例对象 b。

  5. 尽管概念理解起来比较复杂,但线程唯一单例的代码实现很简单,如下所示。在代码中,我们通过一个 HashMap 来存储对象,其中 key 是线程 ID,value 是对象。这样我们就可以做到,不同的线程对应不同的对象,同一个线程只能对应一个对象。实际上,Java 语言本身提供了 ThreadLocal 工具类,可以更加轻松地实现线程唯一单例。不过,ThreadLocal 底层实现原理也是基于下面代码中所示的 HashMap。

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

private static final ConcurrentHashMap<Long, IdGenerator> instances
= new ConcurrentHashMap<>();

private IdGenerator() {}

public static IdGenerator getInstance() {
Long currentThreadId = Thread.currentThread().getId();
instances.putIfAbsent(currentThreadId, new IdGenerator());
return instances.get(currentThreadId);
}

public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}

如何实现集群环境下的单例?

  1. 刚刚我们讲了“进程唯一”的单例和“线程唯一”的单例,现在,我们再来看下,“集群唯一”的单例。
  2. 首先,我们还是先来解释一下,什么是“集群唯一”的单例。
  3. 我们还是将它跟“进程唯一”“线程唯一”做个对比。“进程唯一”指的是进程内唯一、进程间不唯一。“线程唯一”指的是线程内唯一、线程间不唯一。集群相当于多个进程构成的一个集合,“集群唯一”就相当于是进程内唯一、进程间也唯一。也就是说,不同的进程间共享同一个对象,不能创建同一个类的多个对象。
  4. 我们知道,经典的单例模式是进程内唯一的,那如何实现一个进程间也唯一的单例呢?如果严格按照不同的进程间共享同一个对象来实现,那集群唯一的单例实现起来就有点难度了。
  5. 具体来说,我们需要把这个单例对象序列化并存储到外部共享存储区(比如文件)。进程在使用这个单例对象的时候,需要先从外部共享存储区中将它读取到内存,并反序列化成对象,然后再使用,使用完成之后还需要再存储回外部共享存储区。
  6. 为了保证任何时刻,在进程间都只有一份对象存在,一个进程在获取到对象之后,需要对对象加锁,避免其他进程再将其获取。在进程使用完这个对象之后,还需要显式地将对象从内存中删除,并且释放对对象的加锁。按照这个思路,
  7. 我用伪代码实现了一下这个过程,具体如下所示:
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static IdGenerator instance;
private static SharedObjectStorage storage = FileSharedObjectStorage(/*入参省略,比如文件地址*/);
private static DistributedLock lock = new DistributedLock();

private IdGenerator() {}

public synchronized static IdGenerator getInstance()
if (instance == null) {
lock.lock();
instance = storage.load(IdGenerator.class);
}
return instance;
}

public synchroinzed void freeInstance() {
storage.save(this, IdGeneator.class);
instance = null; //释放对象
lock.unlock();
}

public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}

// IdGenerator使用举例
IdGenerator idGeneator = IdGenerator.getInstance();
long id = idGenerator.getId();
IdGenerator.freeInstance();

如何实现一个多例模式?

跟单例模式概念相对应的还有一个多例模式。那如何实现一个多例模式呢?“单例”指的是,一个类只能创建一个对象。对应地,“多例”指的就是,一个类可以创建多个对象,但是个数是有限制的,比如只能创建 3 个对象。如果用代码来简单示例一下的话,就是下面这个样子:

public class BackendServer {
private long serverNo;
private String serverAddress;

private static final int SERVER_COUNT = 3;
private static final Map<Long, BackendServer> serverInstances = new HashMap<>();

static {
serverInstances.put(1L, new BackendServer(1L, "192.134.22.138:8080"));
serverInstances.put(2L, new BackendServer(2L, "192.134.22.139:8080"));
serverInstances.put(3L, new BackendServer(3L, "192.134.22.140:8080"));
}

private BackendServer(long serverNo, String serverAddress) {
this.serverNo = serverNo;
this.serverAddress = serverAddress;
}

public BackendServer getInstance(long serverNo) {
return serverInstances.get(serverNo);
}

public BackendServer getRandomInstance() {
Random r = new Random();
int no = r.nextInt(SERVER_COUNT)+1;
return serverInstances.get(no);
}
}

实际上,对于多例模式,还有一种理解方式:同一类型的只能创建一个对象,不同类型的可以创建多个对象。这里的“类型”如何理解呢?我们还是通过一个例子来解释一下,具体代码如下所示。在代码中,logger name 就是刚刚说的“类型”,同一个 logger name 获取到的对象实例是相同的,不同的 logger name 获取到的对象实例是不同的。

public class Logger {
private static final ConcurrentHashMap<String, Logger> instances
= new ConcurrentHashMap<>();

private Logger() {}

public static Logger getInstance(String loggerName) {
instances.putIfAbsent(loggerName, new Logger());
return instances.get(loggerName);
}

public void log() {
//...
}
}

//l1==l2, l1!=l3
Logger l1 = Logger.getInstance("User.class");
Logger l2 = Logger.getInstance("User.class");
Logger l3 = Logger.getInstance("Order.class");

这种多例模式的理解方式有点类似工厂模式。它跟工厂模式的不同之处是,多例模式创建的对象都是同一个类的对象,而工厂模式创建的是不同子类的对象,关于这一点,后面就会讲到。实际上,它还有点类似享元模式,两者的区别等到我们讲到享元模式的时候再来分析。除此之外,实际上,枚举类型也相当于多例模式,一个类型只能对应一个对象,一个类可以创建多个对象。