Java中Singleton的三種實現方式解析

pedro7發表於2021-02-20

一、什麼是Singleton?

《設計模式》的作者、Eclipse和 Junit 的開發者 Erich Gamma 在它的理論體系中將 Singleton 定義為僅僅被例項化一次的類。在當今物件導向程式的實際開發中,Singleton 通常被用來代表一個無狀態的物件,例如函式和那些本質上唯一的系統元件。

值得注意的是,使類成為 Singleton 會使得它的客戶端測試變得非常困難,因為我們不可能給Singleton替換模擬實現,除非我們實現一個充當其型別的介面。

實現 Singleton 有三種常見方法,他們或是保持構造器私有並匯出公有的靜態成員,或是宣告一個包含單個元素的列舉型別。

二、Singleton實現 —— 構造器私有

1、公有靜態成員為一個final域

//Singleton with public final field 
public class Elvis { 
	public static final Elvis INSTANCE = new Elvis(); 
	pritvate Elvis() { ... } 
	public void leaveTheBuilding() { ... }
} 

在這個類中,我們僅僅擁有一個私有的構造器,它也只在初始化final域時被呼叫一次。由於缺少可以使用的構造器,後續的程式無法再建立 Elvis 物件。這保證了在該Java程式的整個生命週期中, Elvis 物件有且只有一個存在。

但需要注意的是,一些高許可權的客戶端可以藉助 AccessibleObject.setAccessible 方法通過反射機制呼叫私有的構造器。為了避免這樣的可能的攻擊,可以修改構造器,讓它在被要求建立第二個例項的時候丟擲異常。

公有域方法的主要優勢在於,API很清楚地表明瞭這個類是一個 Singleton ,畢竟這是一個公有的靜態屬性。另外,這個方法要更加簡單。

2、公有靜態成員為一個靜態工廠方法

//Singleton with static factory
public class Elvis { 
	private static final Elvis INSTANCE = new Elvis(); 
	pritvate Elvis() { ... } 
	public static Elvis getInstance(){ return INSTANCE; }
	public void leaveTheBuilding(){ ... }
} 

顯然,無論怎樣呼叫 getInstance 方法,返回的都是同一個物件的引用。注意上面提示的反射攻擊問題依然存在。

靜態工廠方法有兩大優勢

  • 第一,它提供了更多的靈活性,在不改變API的前提下,我們可以輕易地自由調整這個類是否是Singleton。工廠方法返回該類的唯一例項,但它很容易修改成別的樣子,例如為每個呼叫該方法的執行緒提供唯一例項。
  • 第二,如果程式需要,我們可以編寫一個泛型 Singleton 工廠。
  • 第三,我們可以通過方法引用作為提供者,比如 Elvis::instance 就是一個 Supplier< Elvis >

(注:方法引用是Java8的一個新特性)

除非我們需要上述的其中一種優勢,我們還是應該選擇更簡單易懂的使用公有域的方法。

3、將利用上述方法實現的Singleton類變為可序列化的

使用上述兩種方法實現的 Singleton ,要把他們變成可序列化的,不能僅僅在宣告中加上 implements Serializable 。為了維護並保證 Singleton ,我們必須生命所有例項域都是瞬時的,並提供一個 readResolve 方法。否則在我們每次序列化時都會建立一個新的例項。為了防止這種情況,我們要在 Elvis 類中加入如下這樣的 readResolve 方法。

//readResolve method to preserve singleton property 
	private Object readResolve(){
		//Return the one true Elvis and let the garbage collector take care of the Elvis impersonator
		return INSTANCE;
	}

三、Singleton實現 —— 宣告包含單個元素的列舉型別

//Enum singleton - the preferred approach
public enum Elvis{
	INSTANCE;
	public void leaveTheBuilding(){ ... }
}

這種方法在功能上與公有域方法相似,但更加簡潔,無償地提供了序列化機制,絕對防止多次例項化,即使是在面對複雜的序列化或者反射攻擊的時候。 雖然這種方法還沒有廣 泛採用,但是單元素的列舉型別經常成為實現 Singleton 的最佳方法。 注意,如果 Singleton 必須擴充套件一個超類,而不是擴充套件 Enum 的時候,則不宜使用這個方法(雖然可以宣告列舉去實現介面)。

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