3.1 單例模式的動機

      對於一個軟體系統的某些類而言，我們無須建立多個例項。舉個大家都熟知的例子——Windows工作管理員，如圖3-1所示，我們可以做一個這樣的嘗試，在Windows的“工作列”的右鍵彈出選單上多次點選“啟動工作管理員”，看能否開啟多個工作管理員視窗？如果你的桌面出現多個工作管理員，我請你吃飯，（注：電腦中毒或私自修改Windows核心者除外）。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工作管理員視窗，也就是說在一個Windows系統中，工作管理員存在唯一性。為什麼要這樣設計呢？我們可以從以下兩個方面來分析：其一，如果能彈出多個視窗，且這些視窗的內容完全一致，全部是重複物件，這勢必會浪費系統資源，工作管理員需要獲取系統執行時的諸多資訊，這些資訊的獲取需要消耗一定的系統資源，包括CPU

         圖3-1 Windows工作管理員

      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例項，當這個唯一例項建立成功之後，我們無法再建立一個同類型的其他物件，所有的操作都只能基於這個唯一例項。為了確保物件的唯一性，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工作管理員，假設工作管理員的類名為TaskManager，在TaskManager類中包含了大量的成員方法，例如建構函式TaskManager()，顯示程序的方法displayProcesses()，顯示服務的方法displayServices()等，該類的示意程式碼如下：

class TaskManager
{
     public TaskManager() {……} //初始化視窗
     public void displayProcesses()  {……} //顯示程序
     public void  displayServices() {……} //顯示服務
     ……
}
 

       為了實現Windows工作管理員的唯一性，我們通過如下三步來對該類進行重構：

      (1)  由於每次使用new關鍵字來例項化TaskManager類時都將產生一個新物件，為了確保TaskManager例項的唯一性，我們需要禁止類的外部直接使用new來建立物件，因此需要將TaskManager的建構函式的可見性改為private，如下程式碼所示：

private TaskManager() {……}

       (2)  將建構函式改為private修飾後該如何建立物件呢？不要著急，雖然類的外部無法再使用new來建立物件，但是在TaskManager的內部還是可以建立的，可見性只對類外有效。因此，我們可以在TaskManager中建立並儲存這個唯一例項。為了讓外界可以訪問這個唯一例項，需要在TaskManager中定義一個靜態的TaskManager型別的私有成員變數，如下程式碼所示：

private static TaskManager tm = null;

(3)  為了保證成員變數的封裝性，我們將TaskManager型別的tm物件的可見性設定為private，但外界該如何使用該成員變數並何時例項化該成員變數呢？答案是增加一個公有的靜態方法，如下程式碼所示：

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

       在getInstance()方法中首先判斷tm物件是否存在，如果不存在（即tm == null），則使用new關鍵字建立一個新的TaskManager型別的tm物件，再返回新建立的tm物件；否則直接返回已有的tm物件。

      需要注意的是getInstance()方法的修飾符，首先它應該是一個public方法，以便供外界其他物件使用，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，而無須建立TaskManager物件，事實上在類外也無法建立TaskManager物件，因為建構函式是私有的。

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，其完整程式碼如下：

class TaskManager
{
     private static TaskManager tm = null;
     private TaskManager() {……} //初始化視窗
     public void  displayProcesses() {……} //顯示程序
     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建立新的TaskManager物件，但可以通過程式碼TaskManager.getInstance()來訪問例項物件，第一次呼叫getInstance()方法時將建立唯一例項，再次呼叫時將返回第一次建立的例項，從而確保例項物件的唯一性。

      上述程式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：

      單例模式有三個要點：一是某個類只能有一個例項；二是它必須自行建立這個例項；三是它必須自行向整個系統提供這個例項。

       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：

      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例項，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例項；為了防止在外部對其例項化，將其建構函式設計為私有；在單例類內部定義了一個Singleton型別的靜態物件，作為外部共享的唯一例項。