确保对象的唯一性——单例模式 （一）

3.1 单例模式的动机

对于一个软件系统的某些类而言，我们无须创建多个实例。举个大家都熟知的例子——Windows任务管理器，如图3-1所示，我们可以做一个这样的尝试，在Windows的“任务栏”的右键弹出菜单上多次点击“启动任务管理器”，看能否打开多个任务管理器窗口？如果你的桌面出现多个任务管理器，我请你吃饭，（注：电脑中毒或私自修改Windows内核者除外）。通常情况下，无论我们启动任务管理多少次，Windows系统始终只能弹出一个任务管理器窗口，也就是说在一个Windows系统中，任务管理器存在唯一性。为什么要这样设计呢？我们可以从以下两个方面来分析：其一，如果能弹出多个窗口，且这些窗口的内容完全一致，全部是重复对象，这势必会浪费系统资源，任务管理器需要获取系统运行时的诸多信息，这些信息的获取需要消耗一定的系统资源，包括CPU资源及内存资源等，浪费是可耻的，而且根本没有必要显示多个内容完全相同的窗口；其二，如果弹出的多个窗口内容不一致，问题就更加严重了，这意味着在某一瞬间系统资源使用情况和进程、服务等信息存在多个状态，例如任务管理器窗口A显示“CPU使用率”为10%，窗口B显示“CPU使用率”为15%，到底哪个才是真实的呢？这纯属“调戏”用户，，给用户带来误解，更不可取。由此可见，确保Windows任务管理器在系统中有且仅有一个非常重要。

         图3-1 Windows任务管理器

回到实际开发中，我们也经常遇到类似的情况，为了节约系统资源，有时需要确保系统中某个类只有唯一一个实例，当这个唯一实例创建成功之后，我们无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。为了确保对象的唯一性，我们可以通过单例模式来实现，这就是单例模式的动机所在。

3.2 单例模式概述

下面我们来模拟实现Windows任务管理器，假设任务管理器的类名为TaskManager，在TaskManager类中包含了大量的成员方法，例如构造函数TaskManager()，显示进程的方法displayProcesses()，显示服务的方法displayServices()等，该类的示意代码如下：

class TaskManager
{
     public TaskManager() {……} //初始化窗口
     public void displayProcesses()  {……} //显示进程
     public void  displayServices() {……} //显示服务
     ……
}

       为了实现Windows任务管理器的唯一性，我们通过如下三步来对该类进行重构：

(1)  由于每次使用new关键字来实例化TaskManager类时都将产生一个新对象，为了确保TaskManager实例的唯一性，我们需要禁止类的外部直接使用new来创建对象，因此需要将TaskManager的构造函数的可见性改为private，如下代码所示：

private TaskManager() {……}

       (2)  将构造函数改为private修饰后该如何创建对象呢？不要着急，虽然类的外部无法再使用new来创建对象，但是在TaskManager的内部还是可以创建的，可见性只对类外有效。因此，我们可以在TaskManager中创建并保存这个唯一实例。为了让外界可以访问这个唯一实例，需要在TaskManager中定义一个静态的TaskManager类型的私有成员变量，如下代码所示：

private static TaskManager tm = null;

(3)  为了保证成员变量的封装性，我们将TaskManager类型的tm对象的可见性设置为private，但外界该如何使用该成员变量并何时实例化该成员变量呢？答案是增加一个公有的静态方法，如下代码所示：

public static TaskManager getInstance()
{
    if (tm == null)
    {
        tm = new TaskManager();
    }
    return tm;
}

       在getInstance()方法中首先判断tm对象是否存在，如果不存在（即tm == null），则使用new关键字创建一个新的TaskManager类型的tm对象，再返回新创建的tm对象；否则直接返回已有的tm对象。

需要注意的是getInstance()方法的修饰符，首先它应该是一个public方法，以便供外界其他对象使用，其次它使用了static关键字，即它是一个静态方法，在类外可以直接通过类名来访问，而无须创建TaskManager对象，事实上在类外也无法创建TaskManager对象，因为构造函数是私有的。 

       通过以上三个步骤，我们完成了一个最简单的单例类的设计，其完整代码如下：

class TaskManager
{
     private static TaskManager tm = null;
     private TaskManager() {……} //初始化窗口
     public void  displayProcesses() {……} //显示进程
     public void  displayServices() {……} //显示服务
     public static TaskManager getInstance()
     {
        if (tm == null)
        {
            tm = new TaskManager();
        }
        return tm;
    }
   ……
}

       在类外我们无法直接创建新的TaskManager对象，但可以通过代码TaskManager.getInstance()来访问实例对象，第一次调用getInstance()方法时将创建唯一实例，再次调用时将返回第一次创建的实例，从而确保实例对象的唯一性。

上述代码也是单例模式的一种最典型实现方式，有了以上基础，理解单例模式的定义和结构就非常容易了。单例模式定义如下： 

单例模式有三个要点：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

       单例模式是结构最简单的设计模式一，在它的核心结构中只包含一个被称为单例类的特殊类。单例模式结构如图3-2所示：

单例模式结构图中只包含一个单例角色：

● Singleton（单例）：在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法，让客户可以访问它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有；在单例类内部定义了一个Singleton类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。