一、什么是單例模式？

單例設(shè)計(jì)模式（Singleton Design Pattern）理解起來非常簡單。一個(gè)類只允許創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象（或者實(shí)例），那這個(gè)類就是一個(gè)單例類，這種設(shè)計(jì)模式就叫作單例設(shè)計(jì)模式，簡稱單例模式。

二、實(shí)戰(zhàn)案例一：處理資源訪問沖突

我們先來看第一個(gè)例子。在這個(gè)例子中，我們自定義實(shí)現(xiàn)了一個(gè)往文件中打印日志的 Logger 類。具體的代碼實(shí)現(xiàn)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表示追加寫入
  }
  
  public void log(String message) {
    writer.write(mesasge);
  }
}

// Logger類的應(yīng)用示例：
public class UserController {
  private Logger logger = new Logger();
  
  public void login(String username, String password) {
    // ...省略業(yè)務(wù)邏輯代碼...
    logger.log(username + " logined!");
  }
}

public class OrderController {
  private Logger logger = new Logger();
  
  public void create(OrderVo order) {
    // ...省略業(yè)務(wù)邏輯代碼...
    logger.log("Created an order: " + order.toString());
  }
}

看完代碼之后，先別著急看我下面的講解，你可以先思考一下，這段代碼存在什么問題。

在上面的代碼中，我們注意到，所有的日志都寫入到同一個(gè)文件 /Users/wangzheng/log.txt 中。在 UserController 和 OrderController 中，我們分別創(chuàng)建兩個(gè) Logger 對(duì)象。在 Web 容器的 Servlet 多線程環(huán)境下，如果兩個(gè) Servlet 線程同時(shí)分別執(zhí)行 login() 和 create() 兩個(gè)函數(shù)，并且同時(shí)寫日志到 log.txt 文件中，那就有可能存在日志信息互相覆蓋的情況。

為什么會(huì)出現(xiàn)互相覆蓋呢？我們可以這么類比著理解。在多線程環(huán)境下，如果兩個(gè)線程同時(shí)給同一個(gè)共享變量加 1，因?yàn)楣蚕碜兞渴歉偁庂Y源，所以，共享變量最后的結(jié)果有可能并不是加了 2，而是只加了 1。同理，這里的 log.txt 文件也是競爭資源，兩個(gè)線程同時(shí)往里面寫數(shù)據(jù)，就有可能存在互相覆蓋的情況。

那如何來解決這個(gè)問題呢？我們最先想到的就是通過加鎖的方式：給 log() 函數(shù)加互斥鎖（Java 中可以通過 synchronized 的關(guān)鍵字），同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程調(diào)用執(zhí)行 log() 函數(shù)。具體的代碼實(shí)現(xiàn)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表示追加寫入
  }
  
  public void log(String message) {
    synchronized(this) {
      writer.write(mesasge);
    }
  }
}

不過，你仔細(xì)想想，這真的能解決多線程寫入日志時(shí)互相覆蓋的問題嗎？答案是否定的。這是因?yàn)?，這種鎖是一個(gè)對(duì)象級(jí)別的鎖，一個(gè)對(duì)象在不同的線程下同時(shí)調(diào)用 log() 函數(shù)，會(huì)被強(qiáng)制要求順序執(zhí)行。但是，不同的對(duì)象之間并不共享同一把鎖。在不同的線程下，通過不同的對(duì)象調(diào)用執(zhí)行 log() 函數(shù)，鎖并不會(huì)起作用，仍然有可能存在寫入日志互相覆蓋的問題。

我這里稍微補(bǔ)充一下，在剛剛的講解和給出的代碼中，我故意“隱瞞”了一個(gè)事實(shí)：我們給 log() 函數(shù)加不加對(duì)象級(jí)別的鎖，其實(shí)都沒有關(guān)系。因?yàn)?FileWriter 本身就是線程安全的，它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)中本身就加了對(duì)象級(jí)別的鎖，因此，在外層調(diào)用 write() 函數(shù)的時(shí)候，再加對(duì)象級(jí)別的鎖實(shí)際上是多此一舉。因?yàn)椴煌?Logger 對(duì)象不共享 FileWriter 對(duì)象，所以，FileWriter 對(duì)象級(jí)別的鎖也解決不了數(shù)據(jù)寫入互相覆蓋的問題。

那我們該怎么解決這個(gè)問題呢？實(shí)際上，要想解決這個(gè)問題也不難，我們只需要把對(duì)象級(jí)別的鎖，換成類級(jí)別的鎖就可以了。讓所有的對(duì)象都共享同一把鎖。這樣就避免了不同對(duì)象之間同時(shí)調(diào)用 log() 函數(shù)，而導(dǎo)致的日志覆蓋問題。具體的代碼實(shí)現(xiàn)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表示追加寫入
  }
  
  public void log(String message) {
    synchronized(Logger.class) { // 類級(jí)別的鎖
      writer.write(mesasge);
    }
  }
}

除了使用類級(jí)別鎖之外，實(shí)際上，解決資源競爭問題的辦法還有很多，分布式鎖是最常聽到的一種解決方案。不過，實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全可靠、無 bug、高性能的分布式鎖，并不是件容易的事情。除此之外，并發(fā)隊(duì)列（比如 Java 中的 BlockingQueue）也可以解決這個(gè)問題：多個(gè)線程同時(shí)往并發(fā)隊(duì)列里寫日志，一個(gè)單獨(dú)的線程負(fù)責(zé)將并發(fā)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，寫入到日志文件。這種方式實(shí)現(xiàn)起來也稍微有點(diǎn)復(fù)雜。

相對(duì)于這兩種解決方案，單例模式的解決思路就簡單一些了。單例模式相對(duì)于之前類級(jí)別鎖的好處是，不用創(chuàng)建那么多 Logger 對(duì)象，一方面節(jié)省內(nèi)存空間，另一方面節(jié)省系統(tǒng)文件句柄（對(duì)于操作系統(tǒng)來說，文件句柄也是一種資源，不能隨便浪費(fèi)）

我們將 Logger 設(shè)計(jì)成一個(gè)單例類，程序中只允許創(chuàng)建一個(gè) Logger 對(duì)象，所有的線程共享使用的這一個(gè) Logger 對(duì)象，共享一個(gè) FileWriter 對(duì)象，而 FileWriter 本身是對(duì)象級(jí)別線程安全的，也就避免了多線程情況下寫日志會(huì)互相覆蓋的問題。

按照這個(gè)設(shè)計(jì)思路，我們實(shí)現(xiàn)了 Logger 單例類。具體代碼如下所示：

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表示追加寫入
  }
  
  public static Logger getInstance() {
    return instance;
  }
  
  public void log(String message) {
    writer.write(mesasge);
  }
}

// Logger類的應(yīng)用示例：
public class UserController {
  public void login(String username, String password) {
    // ...省略業(yè)務(wù)邏輯代碼...
    Logger.getInstance().log(username + " logined!");
  }
}

public class OrderController {  
  public void create(OrderVo order) {
    // ...省略業(yè)務(wù)邏輯代碼...
    Logger.getInstance().log("Created a order: " + order.toString());
  }
}

三、實(shí)戰(zhàn)案例二：表示全局唯一類

從業(yè)務(wù)概念上，如果有些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中只應(yīng)保存一份，那就比較適合設(shè)計(jì)為單例類。比如，配置信息類。在系統(tǒng)中，我們只有一個(gè)配置文件，當(dāng)配置文件被加載到內(nèi)存之后，以對(duì)象的形式存在，也理所應(yīng)當(dāng)只有一份。再比如，唯一遞增 ID 號(hào)碼生成器，如果程序中有兩個(gè)對(duì)象，那就會(huì)存在生成重復(fù) ID 的情況，所以，我們應(yīng)該將 ID 生成器類設(shè)計(jì)為單例。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
public class IdGenerator {
  // AtomicLong是一個(gè)Java并發(fā)庫中提供的一個(gè)原子變量類型,
  // 它將一些線程不安全需要加鎖的復(fù)合操作封裝為了線程安全的原子操作，
  // 比如下面會(huì)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使用舉例
long id = IdGenerator.getInstance().getId();

到此這篇關(guān)于Java開發(fā)中為什么要使用單例模式詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java單例模式內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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