設計模式：單例

你好！今天我們來仔細看看不同的設計模式，先從 Singleton 模式開始，也稱為「單例」。 讓我們記住：我們對設計模式整體了解多少？設計模式是解決許多已知問題的最佳實踐。設計模式通常不依賴任何程式語言。將它們作為一組建議，遵循這些建議，您可以避免錯誤，而不是重新發明輪子。

什麼是單例？

單例是可應用於類別的最簡單的設計模式之一。人們有時會說“這個類別是單例”，意思是這個類別實現了單例設計模式。有時需要編寫一個只能建立一個物件的類別。例如，負責記錄或連接資料庫的類別。單例設計模式描述了我們如何完成這樣的任務。單例是一種做兩件事的設計模式：

1. 保證一個類別只有一個該類別的實例。

2. 提供對該類別的實例的全域存取點。

因此，幾乎所有單例模式的實現都有兩個特徵：

1. 私有構造函數。限制在類別本身之外創建類別物件的能力。

2. 傳回類別的實例的公共靜態方法。這種方法稱為getInstance. 這是類別實例的全域存取點。

實施方案

單例設計模式有不同的使用方式。每個選項都有其自身的優點和缺點。在這裡，一如既往：沒有理想，但需要為此奮鬥。但首先，讓我們先定義什麼是好的，什麼是壞的，以及哪些指標會影響設計模式的實現評估。讓我們從正面的方面開始。以下是賦予實施多汁性和吸引力的標準：

• 延遲初始化：當應用程式恰好在需要時載入類別時。

• 程式碼的簡單性和透明度：當然，衡量標準是主觀的，但很重要。

• 線程安全：在多線程環境下正常工作。

• 多執行緒環境中的高效能：共享資源時，執行緒之間的阻塞最少或根本不阻塞。

現在說說缺點。我們列出了顯示實施情況不佳的標準：

• 非惰性初始化：當應用程式啟動時載入一個類別，無論是否需要它（一個悖論，在IT世界中，最好是惰性的）

• 程式碼複雜且可讀性差。此指標也是主觀的。我們假設如果血液來自眼睛，那麼實施效果一般。

• 缺乏線程安全。換句話說，「線程危險」。多執行緒環境下操作不正確。

• 多執行緒環境中的效能較差：執行緒在共享資源時始終或經常相互阻塞。

程式碼

現在我們準備考慮各種實施選項，列出優點和缺點：

簡單的解決方案

public class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

最簡單的實作。優點：

• 程式碼簡單透明

• 線程安全

• 多執行緒環境下的高效能

缺點：

• 不是惰性初始化。

為了修正最後一個缺陷，我們得到了第二個實作：

延遲初始化

public class Singleton {
  private static Singleton INSTANCE;

  private Singleton() {}

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

優點：

• 延遲初始化。

缺點：

• 不是線程安全的

實施很有趣。我們可以延遲初始化，但是我們失去了線程安全。沒問題：在第三個實作中，我們同步所有內容。

同步存取器

public class Singleton {
  private static Singleton INSTANCE;

  private Singleton() {
  }

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

優點：

• 延遲初始化。

• 線程安全

缺點：

• 多線程環境下效能不佳

偉大的！在第三個實作中，我們恢復了線程安全！確實，很慢……現在方法getInstance是同步的，一次只能輸入一個。事實上，我們不需要同步整個方法，而只需要同步初始化新類別物件的部分。但我們不能簡單地將synchronized負責創建新物件的部分包裝在區塊中：這不會提供線程安全性。情況有點複雜。正確的同步方法如下：

雙重檢查鎖定

public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE;

  private Singleton() {
  }

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

優點：

• 延遲初始化。

• 線程安全

• 多執行緒環境下的高效能

缺點：

• 低於 1.5 的 Java 版本不支援（1.5 版中修復了 volatile 關鍵字）

我注意到，要使此實施選項正常運作，需要滿足以下兩個條件之一。該變數INSTANCE必須是final, 或volatile。我們今天要討論的最後一個實現是Class Holder Singleton.

類別持有者單例

public class Singleton {

   private Singleton() {
   }

   private static class SingletonHolder {
       public static final Singleton HOLDER_INSTANCE = new Singleton();
   }

   public static Singleton getInstance() {
       return SingletonHolder.HOLDER_INSTANCE;
   }
}

優點：

• 延遲初始化。

• 線程安全。

• 多線程環境下的高效能。

缺點：

• 為了正確運行，需要確保類別物件的Singleton初始化沒有錯誤。否則，第一個方法呼叫getInstance將以錯誤結束ExceptionInInitializerError，並且所有後續方法呼叫都將失敗NoClassDefFoundError。

實施幾乎是完美的。而且是惰性的、線程安全的、快速的。但負號中描述了一個細微差別。 Singleton模式的各種實現比較表：

單例模式的優點和缺點

一般來說，單例完全按照預期執行：

1. 保證一個類別只有一個該類別的實例。

2. 提供對該類別的實例的全域存取點。

然而，這種模式有缺點：

1. Singleton 違反了 SRP（單一職責原則）——Singleton 類別除了其直接職責外，還控制其副本數量。

2. 常規類別或方法對單例的依賴在類別的公共契約中不可見。

3. 全域變數是不好的。單例最終會變成一個巨大的全域變數。

4. 單例的存在通常降低了應用程式的可測試性，特別是使用單例的類別的可測試性。

好吧，現在一切都結束了。我們研究了單例設計模式。現在，在與程式設計師朋友的終身對話中，您不僅可以說出它的優點，還可以說出它的缺點。祝你掌握新知識好運。

補充閱讀：

• 使用單例模式
• Java 中正確的單例
• Singleton“按需持有者習慣用法”
• 實現和使用單例設計模式的有效方法
• Java 單例設計模式最佳實務與範例