確保對象的唯一性——單例模式（一） · 設計模式JAVA版

# 確保對象的唯一性——單例模式（一） 3.1 單例模式的動機對于一個軟件系統的某些類而言，我們無須創建多個實例。舉個大家都熟知的例子——Windows任務管理器，如圖3-1所示，我們可以做一個這樣的嘗試，在Windows的“任務欄”的右鍵彈出菜單上多次點擊“啟動任務管理器”，看能否打開多個任務管理器窗口？如果你的桌面出現多個任務管理器，我請你吃飯，微笑（注：電腦中毒或私自修改Windows內核者除外）。通常情況下，無論我們啟動任務管理多少次，Windows系統始終只能彈出一個任務管理器窗口，也就是說在一個Windows系統中，任務管理器存在唯一性。為什么要這樣設計呢？我們可以從以下兩個方面來分析：其一，如果能彈出多個窗口，且這些窗口的內容完全一致，全部是重復對象，這勢必會浪費系統資源，任務管理器需要獲取系統運行時的諸多信息，這些信息的獲取需要消耗一定的系統資源，包括CPU資源及內存資源等，浪費是可恥的，而且根本沒有必要顯示多個內容完全相同的窗口；其二，如果彈出的多個窗口內容不一致，問題就更加嚴重了，這意味著在某一瞬間系統資源使用情況和進程、服務等信息存在多個狀態，例如任務管理器窗口A顯示“CPU使用率”為10%，窗口B顯示“CPU使用率”為15%，到底哪個才是真實的呢？這純屬“調戲”用戶，偷笑，給用戶帶來誤解，更不可取。由此可見，確保Windows任務管理器在系統中有且僅有一個非常重要。 ![](http://my.csdn.net/uploads/201204/02/1333304799_4385.gif) 圖3-1 Windows任務管理器回到實際開發中，我們也經常遇到類似的情況，為了節約系統資源，有時需要確保系統中某個類只有唯一一個實例，當這個唯一實例創建成功之后，我們無法再創建一個同類型的其他對象，所有的操作都只能基于這個唯一實例。為了確保對象的唯一性，我們可以通過單例模式來實現，這就是單例模式的動機所在。 3.2 單例模式概述下面我們來模擬實現Windows任務管理器，假設任務管理器的類名為TaskManager，在TaskManager類中包含了大量的成員方法，例如構造函數TaskManager()，顯示進程的方法displayProcesses()，顯示服務的方法displayServices()等，該類的示意代碼如下： ``` class TaskManager { public TaskManager() {……} //初始化窗口 public void displayProcesses() {……} //顯示進程 public void displayServices() {……} //顯示服務 …… } ``` 為了實現Windows任務管理器的唯一性，我們通過如下三步來對該類進行重構： (1) 由于每次使用new關鍵字來實例化TaskManager類時都將產生一個新對象，為了確保TaskManager實例的唯一性，我們需要禁止類的外部直接使用new來創建對象，因此需要將TaskManager的構造函數的可見性改為private，如下代碼所示： ``` private TaskManager() {……} ``` (2) 將構造函數改為private修飾后該如何創建對象呢？不要著急，雖然類的外部無法再使用new來創建對象，但是在TaskManager的內部還是可以創建的，可見性只對類外有效。因此，我們可以在TaskManager中創建并保存這個唯一實例。為了讓外界可以訪問這個唯一實例，需要在TaskManager中定義一個靜態的TaskManager類型的私有成員變量，如下代碼所示： ``` private static TaskManager tm = null; ``` (3) 為了保證成員變量的封裝性，我們將TaskManager類型的tm對象的可見性設置為private，但外界該如何使用該成員變量并何時實例化該成員變量呢？答案是增加一個公有的靜態方法，如下代碼所示： ``` public static TaskManager getInstance() { if (tm == null) { tm = new TaskManager(); } return tm; } ``` 在getInstance()方法中首先判斷tm對象是否存在，如果不存在（即tm == null），則使用new關鍵字創建一個新的TaskManager類型的tm對象，再返回新創建的tm對象；否則直接返回已有的tm對象。需要注意的是getInstance()方法的修飾符，首先它應該是一個public方法，以便供外界其他對象使用，其次它使用了static關鍵字，即它是一個靜態方法，在類外可以直接通過類名來訪問，而無須創建TaskManager對象，事實上在類外也無法創建TaskManager對象，因為構造函數是私有的。思考為什么要將成員變量tm定義為靜態變量？通過以上三個步驟，我們完成了一個最簡單的單例類的設計，其完整代碼如下： ``` class TaskManager { private static TaskManager tm = null; private TaskManager() {……} //初始化窗口 public void displayProcesses() {……} //顯示進程 public void displayServices() {……} //顯示服務 public static TaskManager getInstance() { if (tm == null) { tm = new TaskManager(); } return tm; } …… } ``` 在類外我們無法直接創建新的TaskManager對象，但可以通過代碼TaskManager.getInstance()來訪問實例對象，第一次調用getInstance()方法時將創建唯一實例，再次調用時將返回第一次創建的實例，從而確保實例對象的唯一性。上述代碼也是單例模式的一種最典型實現方式，有了以上基礎，理解單例模式的定義和結構就非常容易了。單例模式定義如下：單例模式(Singleton Pattern)：確保某一個類只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統提供這個實例，這個類稱為單例類，它提供全局訪問的方法。單例模式是一種對象創建型模式。單例模式有三個要點：一是某個類只能有一個實例；二是它必須自行創建這個實例；三是它必須自行向整個系統提供這個實例。單例模式是結構最簡單的設計模式一，在它的核心結構中只包含一個被稱為單例類的特殊類。單例模式結構如圖3-2所示： ![](http://my.csdn.net/uploads/201204/02/1333305124_9327.gif) 單例模式結構圖中只包含一個單例角色： ● Singleton（單例）：在單例類的內部實現只生成一個實例，同時它提供一個靜態的getInstance()工廠方法，讓客戶可以訪問它的唯一實例；為了防止在外部對其實例化，將其構造函數設計為私有；在單例類內部定義了一個Singleton類型的靜態對象，作為外部共享的唯一實例。