【设计模式笔记17】：单例模式1-模式分析

文章目录

- - [六、单例模式](#六、单例模式)
  - - [1. 模式动机](#1. 模式动机)
    - [2. 模式定义](#2. 模式定义)
    - [3. 结构及角色分析](#3. 结构及角色分析)
    - [4. 模式实现步骤分解](#4. 模式实现步骤分解)
    - [5. 完整代码示例与验证](#5. 完整代码示例与验证)

六、单例模式

1. 模式动机

模式名称: 单例模式 (Singleton)
核心动机 : 在整个软件系统中，对于某些类来说，有且只能有一个实例。保证这个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。
现实场景举例 :
- 窗口管理器: 一个系统通常只有一个窗口管理器，负责管理所有窗口的层级、位置等。
- 打印机假脱机服务: 系统中可以连接许多打印机，但只能有一个打印任务队列（假脱机服务）来统一管理和调度打印工作。
- 配置文件读取类: 一个应用的配置信息通常是唯一的，用一个单例对象来读取和提供配置，可以避免重复读取和数据不一致。
需要解决的问题: 我们怎样才能保证一个类只有一个实例，并且让系统中的任何部分都能方便地访问到这个唯一的实例呢？
核心解决办法 : 让类自身负责保存它的唯一实例。这个类必须保证没有其它实例被创建，并且它可以提供一个方法来访问该实例。

2. 模式定义

定义: 单例模式(Singleton Pattern)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。这个类被称为单例类，它提供全局访问的方法。
三大要点 :
1. 唯一实例: 某个类只能有一个实例。这是单例模式的根本。
2. 自行创建: 它必须自行创建这个唯一的实例。创建的控制权在类的内部，而不是外部。
3. 提供实例 : 它必须自行向整个系统提供这个实例。这意味着它需要提供一个全局访问点，并且在单例类的外部无法使用 new 关键字创建。
分类 : 单例模式是一种对象创建型模式。

3. 结构及角色分析

单例模式的结构非常简单，只包含一个角色，即单例类 (Singleton)。

图片描述 ：一个名为Singleton的类图。其中包含：

一个私有的、静态的、自身类型的属性 instance: Singleton。

一个私有的构造方法 Singleton()。

一个公有的、静态的、返回自身类型的方法 getInstance(): Singleton。
图中还有一个从类指向自身属性的菱形聚合符号，以及一个从 getInstance 方法指向 instance 属性的箭头，表示该方法会返回这个实例。

4. 模式实现步骤分解

为了实现单例模式的三个要点，我们需要一步步地构建这个类。

第一步：私有化构造方法
- 目的 : 防止外部通过 new 关键字随意创建实例。
- 分析 : 要想在运行期间控制一个类的实例只有一个，首要任务就是要控制创建实例的地方。如果构造方法是公有的，那么在类的外部就可以随处 new，实例的数量就失控了。
- 实现 : 将构造方法声明为 private。
java 复制代码
```
private Singleton() {}
```
第二步：提供获取实例的方法
- 问题: 构造方法被私有化了，外部创建不了实例，也就无法调用对象的方法，这不行。
- 解决: 单例类必须自己提供一个公有的方法，用来返回它内部创建好的那个唯一实例。
java 复制代码
```
// 初始设想，但有问题
public Singleton getInstance() {}
```
第三步：将获取实例的方法静态化
- 问题: 上一步定义的是一个实例方法。要调用实例方法，必须先得有类的实例。这就陷入了一个"鸡生蛋，蛋生鸡"的死循环：为了获取实例，你得先有一个实例。
- 解决 : 在方法上加上 static 关键字，使其成为一个类方法。这样就可以直接通过 类名.方法名() 的方式来调用，而不需要先得到类实例。
java 复制代码
```
public static Singleton getInstance() {}
```
第四步：定义存储实例的静态属性
- 问题 : getInstance() 方法的内部该如何实现？如果直接 return new Singleton();，那么每次调用都会创建一个新的实例，这违背了单例的初衷。
- 解决: 在类内部用一个属性来记录（存储）已经创建好的那个唯一实例。当第一次创建后，就把实例保存在这个属性里，以后就直接复用这个实例，而不是重新创建。
- 为什么要静态化 : 因为这个属性需要在静态方法 getInstance() 里面使用，而静态方法只能访问静态成员。所以这个存储实例的属性也必须是 static 的。
java 复制代码
```
private static Singleton instance = null;
```
第五步：实现控制实例创建的逻辑
- 目的 : 在 getInstance() 方法里实现对实例创建的控制。
- 逻辑 :
  1. 先判断存储实例的静态属性 instance 是否有值（是否为 null）。
  2. 如果为 null，说明这是第一次调用，还没有创建过实例。此时，就 new 一个实例，并把它赋值给 instance 属性。
  3. 如果 instance 不为 null，说明之前已经创建过实例了。
  4. 最后，无论是否新建，都返回 instance 属性中存储的那个实例。
java 复制代码
```
public static Singleton getInstance() {
    // 先判断instance是否有值
    if (instance == null) {
        // 如果没有值，说明还没有创建过实例，那就创建一个
        // 并把这个实例设置给instance
        instance = new Singleton();
    }
    // 如果有值，或者是创建了值，那就直接使用
    return instance;
}
```

5. 完整代码示例与验证

将以上所有步骤组合起来，就得到了一个基础的单例模式实现。

这种实现方式被称为"懒汉式"，因为它是等到第一次需要时才创建实例

完整实现

验证代码

java 复制代码

// 验证逻辑
public static void main(String[] args) {
    Singleton singletonOne = Singleton.getInstance();
    Singleton singletonTwo = Singleton.getInstance();

    if (singletonOne.equals(singletonTwo)) {
        // 在Java中，对于引用类型，== 和 .equals() 在未重写时行为一致，都比较地址
        System.out.println("singletonOne 和 singletonTwo 代表的是同一个实例");
    } else {
        System.out.println("singletonOne 和 singletonTwo 代表的是不同实例");
    }
}

预期结果: 程序会输出"singletonOne 和 singletonTwo 代表的是同一个实例"，从而证明了单例模式的正确性。

【设计模式笔记17】：单例模式1-模式分析

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六、 单例模式

1. 模式动机

2. 模式定义

3. 结构及角色分析

4. 模式实现步骤分解

5. 完整代码示例与验证

六、单例模式