43 | 单例模式（下）：如何设计实现一个集群环境下的分布式单例模式？

上两篇文章中，我们针对单例模式，讲解了单例的应用场景、几种常见的代码实现和存在的问题，并粗略给出了替换单例模式的方法，比如工厂模式、IOC 容器。今天，我们再进一步扩展延伸一下，一块讨论一下下面这几个问题：

• 如何理解单例模式中的唯一性？
• 如何实现线程唯一的单例？
• 如何实现集群环境下的单例？
• 如何实现一个多例模式？

今天的内容稍微有点"烧脑"，希望你在看的过程中多思考一下。话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

如何理解单例模式中的唯一性？

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。"

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。

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。

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）。

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？

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？

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。

"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。

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。

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？

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。

首先，我们还是先来解释一下，什么是"集群唯一"的单例。

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。

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。

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。

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，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，下一篇文章中就会讲到。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。

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。

今天的内容比较偏理论，在实际的项目开发中，没有太多的应用。讲解的目的，主要还是拓展你的思路，锻炼你的逻辑思维能力，加深你对单例的认识。

1. 如何理解单例模式的唯一性？

单例类中对象的唯一性的作用范围是"进程唯一"的。"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，线程间可以不唯一。实际上，"进程唯一"就意味着线程内、线程间都唯一，这也是"进程唯一"和"线程唯一"的区别之处。"集群唯一"指的是进程内唯一、进程间也唯一。

2. 如何实现线程唯一的单例？

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 并发工具类，可以更加轻松地实现线程唯一单例。

3. 如何实现集群环境下的单例？

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。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，需要显式地将对象从内存中删除，并且释放对对象的加锁。

4. 如何实现一个多例模式？

"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。多例的实现也比较简单，通过一个 Map 来存储对象类型和对象之间的对应关系，来控制对象的个数。