【设计模式】Singleton

前言

Singleton设计模式，确保全局只存在一个该类的实例。将构造器声明为private，防止调用(虽然还是可以使用反射来调用)。声明一个静态的类实例在类中，声明一个公共的获取实例的方法。这篇博文给出了简单的实现方法，分析如何做到线程安全，整理了使用Singleton的坏处。

线程安全

方法一是线程安全的，在类被装载的时候，就初始化这个成员，Java库中Runtime就是用了这个方法。
方法二不是线程安全的。如果多个线程同时进入到函数中(临界区)，那么会返回多个不同的实例。

代码验证

以下代码验证了线程不安全，即多线程的情况下方法二不能保证真正的“单例”。通过打印每个类的hashCode来显示，类实例不唯一。

class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            try {
                Thread.sleep(233);
                singleton = new Singleton();
            }
            catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return singleton;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String args[]) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    Singleton singleton = Singleton.getInstance();
                    System.out.println(singleton.hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

解决方案

一种简单的处理方法是，将getInstance声明为synchronized的，效率低，因为每一个线程都在等待进入临界区。

另一种方法叫做Double Checked Locking(DCL)，将公共变量声明为volatile(每次要使用这个变量的时候，从内存中取出来，保证各个线程可以看到这个变量的修改)。

class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            try {
                Thread.sleep(233);
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (singleton == null) {
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return singleton;
    }
}

坏处

有啥坏处，别怪这个设计模式，都是全局变量的错。

1, 全局变量

Singleton管理公共的资源，在代码中的任何地方，只要调用Singleton的获取实例的方法，就可以获取到Singleton的实例，可以对这些公共资源的读写。这让Singleton成为了一个全局变量。

全局变量的坏处，也是Singleton的坏处。全局变量自有全局变量的使用情景和优点，要分开两面看待，这里只讲坏处并非想说全局变量一无是处。

在分析全局变量的坏处之前，在[2]下面看到了一个特别有意思的比喻：

Using global state with your fellow programmers is like using the same toothbrush with your friends - you can but you never know when someone will decide to shove it up his bum.

我想这位老兄说出这个观点，大概是用过异味的牙刷吧。为何不用规范来约束一同使用全局变量的人呢？

这位老兄道出了全局变量的本质，任何人可以用它做任何事，给整个程序带来了极大的不确定性。网上关于全局变量的坏处讨论很多，下面整理了一些，虽然并非都很坏：

1. 代码耦合程度更高。假设一些函数依赖于全局变量的状态，这些函数通过这个全局变量联系到一起。一个函数的修改对另一个函数的读取存在影响，这些函数在无形中联系到了一起。
2. 给测试带来困难。全局变量存储了一些状态，需要安排好模块的运行顺序才可以正确的测试。可是，单元测试应该是相互独立的，而非有顺序的。
3. 多线程的写入的时候，要互斥。
4. 破坏了函数的输入输出功能。拿全局变量来读输入，写输出。
5. 命名冲突。
6. 可读性降低。要理解一个函数，还需要去跟踪使用到的全局变量的来龙去脉。

2, 破坏了单一职责原则

定义：就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因

当一个类使用了Singleton的时候，它不仅负责这个类需要完成的任务，还负责这个单一对象资源的创建和管理。这个类的函数做两项任务，相关性低。

这一点算不上太坏。毕竟设计原则并不总是需要遵守的。

正确使用

上面讲了坏处，核心要义是避免将Singleton用作全局变量。Singleton的使用场景是什么呢？

回到Singleton的本质作用上来，只需要一个这个类的实例。前面讲这个设计模式破坏了单一职责原则，因为需要管理这个实例。

所以归结起来使用这个设计模式的两个原因：

(1) 单个实例

(2) 实例的管理

在[1]中讲了使用Singleton的一个具体例子。那就是日志(log)。因为log和代码的实质功能并不会产生耦合，所以是否开启log对于系统的功能没有太大的影响。

参考链接

1. https://stackoverflow.com/questions/228164/on-design-patterns-when-should-i-use-the-singleton
2. https://softwareengineering.stackexchange.com/questions/148108/why-is-global-state-so-evil
3. https://stackoverflow.com/questions/26285520/implementing-singleton-with-an-enum-in-java
4. https://stackoverflow.com/questions/137975/what-is-so-bad-about-singletons?page=1&tab=votes#tab-top