设计模型｜单例模式 | Yeren's InkVerse

定义

单例模式(Singleton Pattern)：单例模式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，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

单例模式的要点有三个：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

动机

对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID（序号）生成器。

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。

一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

设计类图

结构

• Singleton：单例

样例代码

package DesignPattern;

import java.time.LocalDateTime;

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(LocalDateTime t){
        time = t;
    };
    private LocalDateTime time;

    public void SingletonOperation(){
        System.out.println(time);
    }

    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton(LocalDateTime.now());
        }
        return instance;
    }
}
class test{
    public static void main(String[] args) {
        Singleton a = Singleton.getInstance();
        a.SingletonOperation();
        Singleton b = Singleton.getInstance();
        b.SingletonOperation();
    }
}

总结分析

单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。

单例模式适用情况包括：系统只需要一个实例对象；客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：

单例类的构造函数为私有；
提供一个自身的静态私有成员变量；
提供一个公有的静态工厂方法。

优点

提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念。
由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。
允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

缺点

由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。

例题

在操作系统中，打印池(Print Spooler)是一个用于管理打印任务的应用程序，通过打印池用户可以添加、删除打印任务或者改变打印任务的优先级，在一个系统中只允许运行一个打印池对象。现使用单例模式来模拟实现打印池的设计。

设计类图

略

示例代码

package DesignPattern;

public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取打印池实例
        PrintSpooler spooler1 = PrintSpooler.getInstance();
        PrintSpooler spooler2 = PrintSpooler.getInstance();

        // 验证单例是否相同
        System.out.println("spooler1 == spooler2: " + (spooler1 == spooler2));

        // 执行打印池操作
        spooler1.addPrintJob("Document1");
        spooler2.cancelPrintJob("Document2");
        spooler1.changePriority("Document1", 1);
    }
}

class PrintSpooler {
    // 私有静态实例变量
    private static PrintSpooler instance;

    // 私有构造函数
    private PrintSpooler() {
        // 执行初始化操作
    }

    // 公共静态方法来获取单例实例
    public static synchronized PrintSpooler getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new PrintSpooler();
        }
        return instance;
    }

    // 添加打印任务
    public void addPrintJob(String job) {
        System.out.println("add print job: " + job);
    }
    // 删除打印任务
    public void cancelPrintJob(String job) {
        System.out.println("cancel print job: " + job);
    }
    // 更改打印任务优先级
    public void changePriority(String job, int priority){
        System.out.println("change job: " + job + " to NO." + priority);
    }
    // 其他打印池操作...
}