设计模式之美 - 如何理解单例模式中的唯一性？

目录

单例模式的定义

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？

第一种：一个类可以创建有限的多个对象

第二种： 同一类型只能创建一个对象，不同类型可以创建多个对象

Java 中的单例模式的唯一性

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单例模式的定义

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，这种设计模式就叫做单例设计模式，简称单例模式。

这里提到的唯一性是针对进程而非线程，我们编写的代码通过编译、链接后组织在一起，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。

当使用命令行或者双击运行这个可执行文件时，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（可以理解成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，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、数据等。

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，这也就是说，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。

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如何实现线程唯一的单例？

先理解下面这段话

线程唯一 != 进程唯一

进程唯一 => 线程唯一 

可以使用 ConcurrentHashMap 作为底层数据结构存储对象，其中 key 是线程Id，value是对象。

public class IdGenerator {
    
    /** id生成器 */
    private AtomicLong id = new AtomicLong(1);
    /** 存储每个线程id生成器的map容器 */
    private static final ConcurrentHashMap instances
            = new ConcurrentHashMap<>();
    
    /** 私有构造器，不允许外部 new对象 */
    private IdGenerator() {
    }
    /** 获取当前线程的id生成器对象 */
    public static IdGenerator getInstance() {
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        instances.putIfAbsent(threadId, new IdGenerator());
        return instances.get(threadId);
    }
    /** 获取id */
    public long getId() {
        return id.getAndIncrement();
    }
    
}

这样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。

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如何实现集群环境下的单例？

经典的单例模式是进程内唯一的。所谓集群环境下的单例也就是进程间唯一，这里可以采用将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，需要进行对象加锁，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。 

伪代码如下：

public class DistributedIdGenerator {
    /** id生成 */
    private AtomicLong id = new AtomicLong(1);
    private static DistributedIdGenerator instance;
    /** 进程间共享对象外部存储 */
    @Resource
    private SharedObjectStorage storage;
    /** 分布式锁 */
    @Resource
    private DistributedLock lock;
    
    private DistributedIdGenerator() {
    }
    /** 获取进程间共享的DistributedIdGenerator对象 */
    public synchronized static DistributedIdGenerator getInstance() {
        if (instance == null) {
            lock.lock();
            instance = storage.load(DistributedIdGenerator.class);
        }
        return instance;
    }
    /** 当前进程使用完后需释放当前实例 */
    public synchronized void freeInstance() {
        storage.save(this, DistributedIdGenerator.class);
        instance = null;
        lock.unlock();
    }
    
    public long getId() {
        return id.getAndIncrement();
    }
    
}

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如何实现一个多例模式？

这里的多例模式可以理解成两种：

• 一个类可以创建有限的多个对象
• 同一类型只能创建一个对象，不同类型可以创建多个对象

第一种：一个类可以创建有限的多个对象

可以采取随机数或者是根据特征id进行分片。

public class BackupServer {
 
    private long serverNo;
    private String serverAddress;
 
    public BackupServer(long serverNo, String serverAddress) {
        this.serverNo = serverNo;
        this.serverAddress = serverAddress;
    }
    /** 服务器数量 */
    private static final int SERVER_COUNT = 3;
    /** 存储服务器实例 */
    private static final Map SERVER_MAP = new HashMap<>();
    /** 初始化服务器实例 */
    static {
        for (long i = 1; i <= SERVER_COUNT; i++) {
            SERVER_MAP.put(i, new BackupServer(i, "192.168.22." + i +":8080"));
        }
    }
    
    public BackupServer getInstance(long serverNo) {
        return SERVER_MAP.get(serverNo);
    }
    /** 随机获取服务器 */
    public BackupServer getRandomInstance() {
        Random random = new Random();
        long no = random.nextInt(SERVER_COUNT) + 1;
        return SERVER_MAP.get(no);
    }
 
}

第二种： 同一类型只能创建一个对象，不同类型可以创建多个对象

public class LogInstanceDemo {
    
    private static final ConcurrentHashMap instances
            = new ConcurrentHashMap<>();
    
    private LogInstanceDemo() {
    }
    
    public static LogInstanceDemo getInstance(String loggerName) {
        instances.putIfAbsent(loggerName, new LogInstanceDemo());
        return instances.get(loggerName);
    }
    
}
 
// log1 == log2, log1 != log3 && log2 != log3
LogInstanceDemo log1 = LogInstanceDemo.getInstance("User.class");
LogInstanceDemo log2 = LogInstanceDemo.getInstance("User.class");
LogInstanceDemo log3 = LogInstanceDemo.getInstance("Person.class");

这种多例模式类似工厂模式，但它跟工厂模式的不同之处在于，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。

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Java 中的单例模式的唯一性

上文中讲述单例唯一性的作用范围是进程，实际上，对于Java语言来说，单例类对象的唯一性的作用范围并非进程，而是类加载器（ClassLoader），这是因为不同类加载器之间命名空间不一样，不同的类加载器加载出来的类实例是不一样的，所以Java语言是类加载器内唯一。