尽管单例是一个很常用的设计模式,在实际的开发中,我们也确实经常用到它,但是,有些人认为单例是一种反模式(anti-pattern),并不推荐使用。所以,本文就针对这个说法详细地讲讲这几个问题:单例这种设计模式存在哪些问题?为什么会被称为反模式?如果不用单例,该如何表示全局唯一类?有何替代的解决方案?
单例存在哪些问题?
- 大部分情况下,我们在项目中使用单例,都是用它来表示一些全局唯一类,比如配置信息类、连接池类、ID 生成器类。单例模式书写简洁、使用方便,在代码中,我们不需要创建对象,直接通过类似 IdGenerator.getInstance().getId() 这样的方法来调用就可以了。但是,这种使用方法有点类似硬编码(hard code),会带来诸多问题。接下来,我们就具体看看到底有哪些问题。
- 单例对 OOP 特性的支持不友好
- 我们知道,OOP 的四大特性是封装、抽象、继承、多态。单例这种设计模式对于其中的抽象、继承、多态都支持得不好。为什么这么说呢?我们还是通过 IdGenerator 这个例子来讲解。
public class Order {
public void create(...) {
//...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
//...
}
}
public class User {
public void create(...) {
// ...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
//...
}
}
- IdGenerator 的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则,也就违背了广义上理解的 OOP 的抽象特性。如果未来某一天,我们希望针对不同的业务采用不同的 ID 生成算法。比如,订单 ID 和用户 ID 采用不同的 ID 生成器来生成。为了应对这个需求变化,我们需要修改所有用到 IdGenerator 类的地方,这样代码的改动就会比较大。
public class Order {
public void create(...) {
//...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
// 需要将上面一行代码,替换为下面一行代码
long id = OrderIdGenerator.getIntance().getId();
//...
}
}
public class User {
public void create(...) {
// ...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
// 需要将上面一行代码,替换为下面一行代码
long id = UserIdGenerator.getIntance().getId();
}
}
- 除此之外,单例对继承、多态特性的支持也不友好。这里我之所以会用“不友好”这个词,而非“完全不支持”,是因为从理论上来讲,单例类也可以被继承、也可以实现多态,只是实现起来会非常奇怪,会导致代码的可读性变差。不明白设计意图的人,看到这样的设计,会觉得莫名其妙。所以,一旦你选择将某个类设计成到单例类,也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性,也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。
- 单例会隐藏类之间的依赖关系
- 代码的可读性非常重要。在阅读代码的时候,我们希望一眼就能看出类与类之间的依赖关系,搞清楚这个类依赖了哪些外部类。
- 通过构造函数、参数传递等方式声明的类之间的依赖关系,我们通过查看函数的定义,就能很容易识别出来。但是,单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递,在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂,这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候,我们就需要仔细查看每个函数的代码实现,才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。
- 单例对代码的扩展性不友好
- 我们知道,单例类只能有一个对象实例。如果未来某一天,我们需要在代码中创建两个实例或多个实例,那就要对代码有比较大的改动。
- 我们拿数据库连接池来举例解释一下。
- 在系统设计初期,我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池,这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以,我们把数据库连接池类设计成了单例类。但之后我们发现,系统中有些 SQL 语句运行得非常慢。这些 SQL 语句在执行的时候,长时间占用数据库连接资源,导致其他 SQL 请求无法响应。为了解决这个问题,我们希望将慢 SQL 与其他 SQL 隔离开来执行。为了实现这样的目的,我们可以在系统中创建两个数据库连接池,慢 SQL 独享一个数据库连接池,其他 SQL 独享另外一个数据库连接池,这样就能避免慢 SQL 影响到其他 SQL 的执行。
- 如果我们将数据库连接池设计成单例类,显然就无法适应这样的需求变更,也就是说,单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。所以,数据库连接池、线程池这类的资源池,最好还是不要设计成单例类。实际上,一些开源的数据库连接池、线程池也确实没有设计成单例类。
- 单例对代码的可测试性不友好
- 单例模式的使用会影响到代码的可测试性。如果单例类依赖比较重的外部资源,比如 DB,我们在写单元测试的时候,希望能通过 mock 的方式将它替换掉。而单例类这种硬编码式的使用方式,导致无法实现 mock 替换。
- 除此之外,如果单例类持有成员变量(比如 IdGenerator 中的 id 成员变量),那它实际上相当于一种全局变量,被所有的代码共享。如果这个全局变量是一个可变全局变量,也就是说,它的成员变量是可以被修改的,那我们在编写单元测试的时候,还需要注意不同测试用例之间,修改了单例类中的同一个成员变量的值,从而导致测试结果互相影响的问题。
- 单例不支持有参数的构造函数
- 单例不支持有参数的构造函数,比如我们创建一个连接池的单例对象,我们没法通过参数来指定连接池的大小。针对这个问题,我们来看下都有哪些解决方案。
- 第一种解决思路是:创建完实例之后,再调用 init() 函数传递参数。需要注意的是,我们在使用这个单例类的时候,要先调用 init() 方法,然后才能调用 getInstance() 方法,否则代码会抛出异常。具体的代码实现如下所示:
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private final int paramA;
private final int paramB;
private Singleton(int paramA, int paramB) {
this.paramA = paramA;
this.paramB = paramB;
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
throw new RuntimeException("Run init() first.");
}
return instance;
}
public synchronized static Singleton init(int paramA, int paramB) {
if (instance != null){
throw new RuntimeException("Singleton has been created!");
}
instance = new Singleton(paramA, paramB);
return instance;
}
}
Singleton.init(10, 50); // 先init,再使用
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
- 第二种解决思路是:将参数放到 getIntance() 方法中。具体的代码实现如下所示:
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private final int paramA;
private final int paramB;
private Singleton(int paramA, int paramB) {
this.paramA = paramA;
this.paramB = paramB;
}
public synchronized static Singleton getInstance(int paramA, int paramB) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(paramA, paramB);
}
return instance;
}
}
Singleton singleton = Singleton.getInstance(10, 50);
- 上面的代码实现稍微有点问题。如果我们如下两次执行 getInstance() 方法,那获取到的 singleton1 和 signleton2 的 paramA 和 paramB 都是 10 和 50。也就是说,第二次的参数(20,30)没有起作用,而构建的过程也没有给与提示,这样就会误导用户。这个问题如何解决呢?
- 第三种解决思路是:将参数放到另外一个全局变量中。具体的代码实现如下。Config 是一个存储了 paramA 和 paramB 值的全局变量。里面的值既可以像下面的代码那样通过静态常量来定义,也可以从配置文件中加载得到。实际上,这种方式是最值得推荐的。
public class Config {
public static final int PARAM_A = 123;
public static final int PARAM_B = 245;
}
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private final int paramA;
private final int paramB;
private Singleton() {
this.paramA = Config.PARAM_A;
this.paramB = Config.PARAM_B;
}
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
有何替代解决方案?
- 为了保证全局唯一,除了使用单例,我们还可以用静态方法来实现。这也是项目开发中经常用到的一种实现思路。比如,上一节课中讲的 ID 唯一递增生成器的例子,用静态方法实现一下,就是下面这个样子:
// 静态方法实现方式
public class IdGenerator {
private static AtomicLong id = new AtomicLong(0);
public static long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
// 使用举例
long id = IdGenerator.getId();
- 不过,静态方法这种实现思路,并不能解决我们之前提到的问题。实际上,它比单例更加不灵活,比如,它无法支持延迟加载。我们再来看看有没有其他办法。实际上,单例除了我们之前讲到的使用方法之外,还有另外一种使用方法。具体的代码如下所示:
// 1. 老的使用方式
public demofunction() {
//...
long id = IdGenerator.getInstance().getId();
//...
}
// 2. 新的使用方式:依赖注入
public demofunction(IdGenerator idGenerator) {
long id = idGenerator.getId();
}
// 外部调用demofunction()的时候,传入idGenerator
IdGenerator idGenerator = IdGenerator.getInsance();
demofunction(idGenerator);
- 基于新的使用方式,我们将单例生成的对象,作为参数传递给函数(也可以通过构造函数传递给类的成员变量),可以解决单例隐藏类之间依赖关系的问题。不过,对于单例存在的其他问题,比如对 OOP 特性、扩展性、可测性不友好等问题,还是无法解决。
- 所以,如果要完全解决这些问题,我们可能要从根上,寻找其他方式来实现全局唯一类。实际上,类对象的全局唯一性可以通过多种不同的方式来保证。我们既可以通过单例模式来强制保证,也可以通过工厂模式、IOC 容器(比如 Spring IOC 容器)来保证,还可以通过程序员自己来保证(自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象)。这就类似 Java 中内存对象的释放由 JVM 来负责,而 C++ 中由程序员自己负责,道理是一样的。
小结
- 单例存在哪些问题?
- 单例对 OOP 特性的支持不友好
- 单例会隐藏类之间的依赖关系
- 单例对代码的扩展性不友好
- 单例对代码的可测试性不友好
- 单例不支持有参数的构造函数
- 单例有什么替代解决方案?
- 为了保证全局唯一,除了使用单例,我们还可以用静态方法来实现。不过,静态方法这种实现思路,并不能解决我们之前提到的问题。如果要完全解决这些问题,我们可能要从根上,寻找其他方式来实现全局唯一类了。比如,通过工厂模式、IOC 容器(比如 Spring IOC 容器)来保证,由程序员自己来保证(自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象)。
- 有人把单例当作反模式,主张杜绝在项目中使用。这有点极端。模式没有对错,关键看你怎么用。如果单例类并没有后续扩展的需求,并且不依赖外部系统,那设计成单例类就没有太大问题。对于一些全局的类,我们在其他地方 new 的话,还要在类之间传来传去,不如直接做成单例类,使用起来简洁方便。
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