我是皇帝我独苗

自从秦始皇确立了皇帝这个位置后,同一时期基本上就只有一个人孤零零地坐在这个位置。这种情况下，臣民也好处理，大家叩拜、谈论的时候只要提及皇帝，每个人都知道指的是谁，而不用在皇帝面前加上特定的称呼，如李皇帝、张皇帝。这一过程反应到设计领域就是，要求一个类只能生成一个对象（皇帝），所有对象对它的依赖都是相同的，因为只有一个对象，大家对它的脾气和习性都非常了解，建立健壮稳固的关系，我们把皇帝这种特殊职业通过程序来实现。

皇帝每天要上朝接待臣子、处理政务，臣子每天要叩拜皇帝，皇帝只能有一个，也就是一个类只能产生一个对象，该如何实现？对象的产生通过new关键字完成的（当然也有其他方式，比如对象拷贝、反射等），这个怎么控制。使用new关键字创建对象时，都会根据输入的参数调用相应的构造函数，如果我们把构造函数设置为private私有访问权限不就可以禁止外部创建对象了吗？

只有两个类，Emperor代表皇帝，Minister代表臣子，关联到皇帝类非常简单。

代码清单1：Emperor.java （皇帝类）

/** * 皇帝类 * * @author Barudisshu */public class Emperor {    private static final Emperor emperor = new Emperor();    /**     * 皇帝只有一个     */    private Emperor() {    }    public static Emperor getInstance() {        return emperor;    }    /**     * 皇帝发话了     */    public void say() {        System.out.println("我就是皇帝XXX...");    }}

通过定义一个私有访问权限的构造函数，避免被其他类new出一个对象，而Emperor自己则可以new一个对象出来，其他类对该类的访问都可以通过getInstance获得同一个对象。

代码清单2：Minister.java （臣子类）

/** * 臣子类 * * @author Barudisshu */public class Minister {    public static void main(String[] args) {        for (int day = 0; day < 3; day++) {            Emperor emperor = Emperor.getInstance();            emperor.say();        }    }}

臣子参拜皇帝的运行结果如下：

单例模式的定义

单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其定义如下：

Ensure a class has only one instance,and provide a global point of access of it.（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。）

单例模式通用类图如下：

Singleton类称为单例类，通过使用private的构造函数确保了在一个应用中只产生一个实例，并且是自行实例化的（在Singleton中自己使用new Singleton()。）单例模式通用源代码。

代码清单3：Singleton.java （单例模式通用代码）

public class Singleton {    private static final Singleton singleton = new Singleton();    /**     * 限制产生多个对象     */    private Singleton() {    }    /**     * 通过方法获取对象实例     */    public static Singleton getInstance() {        return singleton;    }    /**     * 类中其他方法，尽量是static     */    public static void doSomething() {    }}

单例模式的应用

单例模式的优点

1. 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存的开支,特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。
2. 由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（在JavaEE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制）。
3. 单例模式可以避免对资源的多重占用。
4. 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

1. 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统中根据环境判断。
2. 单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
3. 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是单例取决于环境，单例模式把“要实例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场合

在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现“不良反应”,可以采用单例模式，具体的场景如下：

1. 要求生成唯一序列号的环境；
2. 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是安全的；
3. 创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源；
4. 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）。

单例模式的主意事项

首先，在高并发情况下，请注意单例模式的线程同步问题。单例模式有几种不同的实现模式,上面的例子不会出现产生多个实例的情况，但是如下代码所示的单例模式需要考虑线程同步。

代码清单4：Singleton.java

/** * * @author Barudisshu */public class Singleton {    private static Singleton singleton = null;    /**     * 限制产生多个对象     */    private Singleton() {    }    /**     * 通过方法获取对象实例     */    public static Singleton getSingleton() {        if (singleton == null) {            singleton = new Singleton();        }        return singleton;    }}

该单例模式在低并发的情况下尚不会出现问题，若系统压力增大，并发量增加时则可能在内存中出现多个实例，破坏了最初的预期。为什么会出现这种情况呢？如一个线程A执行到single = new Singleton()，但还没有获得对象（对象初始化是需要时间的），第二个线程B也在执行，执行到singleton = null判断，那么线程B获得判断条件也是为真，于是继续运行下去，线程A获得了一个对象，线程B也获得一个对象，在内存中就出现两个对象！

解决线程不安全的方法有很多，可以在getSingleton方法前加synchronized关键字，也可以在getSingleton方法内增加synchronized来实现，但都不是最优秀的单例模式，建议使用代码清单3中所示的方式。

其次，需要考虑对象的复制情况。在Java中，对象默认是不可以被复制的，若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制是不用调用类的构造函数，因此即使是私有的构造函数，对象仍然可以被复制。在一般情况下，类复制的情况不需要考虑，很少会出现一个单例类会主动要求被复制的情况，解决该问题的最好方法就是单例类不要实现Cloneable接口。

单例模式的扩展

如果一个类可以产生多个对象，对象的数量不受限制，则是非常容易实现的，直接使用new关键字就可以了，如果只要有一个对象，使用单例模式就可以了， 但是如果要求一个类只能产生三个对象，该怎样实现？我们还是以皇帝为例来说明。

一般情况下，一个朝代的同一个时代只要一个皇帝，那有没有出现两个皇帝的情况？确实，就出现在明朝，下面我们通过类图来构建。

代码清单5：Emperor.java （固定数量的皇帝类）

import java.util.ArrayList;import java.util.Random;/** * 固定数量的皇帝类 * * @author Barudisshu */public class Emperor {    //定义最多能产生的实例数量    private static int maxNumOfEmperor = 2;    //每个皇帝都有名字，使用一个ArrayList来容纳每个对象的私有属性    private static ArrayList
     
       nameList = new ArrayList<>();    //定义一个列表，容纳所有皇帝制度    private static ArrayList
      
        emperorList = new ArrayList<>();    //当前皇帝序列号    private static int countNumOfEmperor = 0;    //产生所有对象    static {        for (int i = 0; i < maxNumOfEmperor; i++) {            emperorList.add(new Emperor("皇帝" + i));        }    }    private Emperor() {        //世俗和道德约束你，目的就是不产生第二个皇帝    }    /**     * 传入一个皇帝名称，建立一个皇帝对象     */    private Emperor(String name) {        nameList.add(name);    }    /**     * 随机获取一个皇帝对象     */    public static Emperor getInstance() {        Random random = new Random();        //随机拉出一个皇帝，只要是个精神领袖就成        countNumOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor);        return emperorList.get(countNumOfEmperor);    }    /**     * 皇帝发话了     */    public static void say() {        System.out.println(nameList.get(countNumOfEmperor));    }}
      
     

在Emperor中使用了两个ArrayList分别存储实例和实例变量。当然，如果考虑到线程安全问题可以使用Vector来代替。

代码清单6：Minister.java （臣子参拜皇帝的过程）

/** * 臣子类 * * @author Barudisshu */public class Minister {    public static void main(String[] args) {        //定义5个大臣        int ministerNum = 5;        for (int i = 0; i < ministerNum; i++) {            Emperor emperor = Emperor.getInstance();            System.out.print("第" + i + "个大臣参拜的是：");            emperor.say();        }    }}

大臣惨败皇帝的运行结果如下：

看，果然每个大臣参拜的皇帝都可能不一样。这种需要产生固定数量对象的模式就叫做有上限的多例模式，它是单例模式的一种扩展，采用有上限的多例模式，我们可以在设计时决定在内存中有多少个实例，方便系统进行扩展，修正单例可能存在的性能问题，提供系统的响应速度。