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42 | 单例模式（中）：我为什么不推荐使用单例模式？又有何替代方案？

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42 | 单例模式（中）：我为什么不推荐使用单例模式？又有何替代方案？

2020-02-07 王争 来自北京
《设计模式之美》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长11:44大小9.40M

上一节课中，我们通过两个实战案例，讲解了单例模式的一些应用场景，比如，避免资源访问冲突、表示业务概念上的全局唯一类。除此之外，我们还学习了 Java 语言中，单例模式的几种实现方法。如果你熟悉的是其他编程语言，不知道你课后有没有自己去对照着实现一下呢？
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，今天，我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？
话不多说，让我们带着这些问题，正式开始今天的学习吧！

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。

1. 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。

2. 单例会隐藏类之间的依赖关系

我们知道，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。

3. 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。你可能会说，会有这样的需求吗？既然单例类大部分情况下都用来表示全局类，怎么会需要两个或者多个实例呢？
实际上，这样的需求并不少见。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。

4. 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。关于这一点，你可以回过头去看下第 29 讲中的“其他常见的 Anti-Patterns：全局变量”那部分的代码示例和讲解。

5. 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);
不知道你有没有发现，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？留给你自己思考，你可以在留言区说说你的解决思路。
Singleton singleton1 = Singleton.getInstance(10, 50);
Singleton singleton2 = Singleton.getInstance(20, 30);
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？

刚刚我们提到了单例的很多问题，你可能会说，即便单例有这么多问题，但我不用不行啊。我业务上有表示全局唯一类的需求，如果不用单例，我怎么才能保证这个类的对象全局唯一呢？
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。
对于替代方案工厂模式、IOC 容器的详细讲解，我们放到后面的章节中讲解。

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。
1. 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
2. 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。我个人觉得这有点极端。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。

课堂讨论

1. 如果项目中已经用了很多单例模式，比如下面这段代码，我们该如何在尽量减少代码改动的情况下，通过重构代码来提高代码的可测试性呢？
public class Demo {
private UserRepo userRepo; // 通过构造哈函数或IOC容器依赖注入
public boolean validateCachedUser(long userId) {
User cachedUser = CacheManager.getInstance().getUser(userId);
User actualUser = userRepo.getUser(userId);
// 省略核心逻辑：对比cachedUser和actualUser...
}
}
2. 在单例支持参数传递的第二种解决方案中，如果我们两次执行 getInstance(paramA, paramB) 方法，第二次传递进去的参数是不生效的，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？
Singleton singleton1 = Singleton.getInstance(10, 50);
Singleton singleton2 = Singleton.getInstance(20, 30);
欢迎留言和我分享你的思考和见解。如果有收获，也欢迎你把文章分享给你的朋友。
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精选留言(80)

  • 小晏子
    2020-02-07
    课堂讨论， 1. 把代码“User cachedUser = CacheManager.getInstance().getUser(userId);”单独提取出来做成一个单独的函数，这样这个函数就可以进行mock了，进而方便测试validateCachedUser。 2. 可以判断传进来的参数和已经存在的instance里面的两个成员变量的值，如果全部相等，就直接返回已经存在的instance，否则就新创建一个instance返回。示例如下： public synchronized static Singleton getInstance(int paramA, int paramB) { if (instance == null) { instance = new Singleton(paramA, paramB); } else if (instance.paramA == paramA && instance.paramB == paramB) { return instance; } else { instance = new Singleton(paramA, paramB); } return instance; }
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    共 21 条评论
    115
  • J.Smile
    2020-02-07
    模式没有对错，关键看你怎么用。这句话说的很对，所以其实所谓单例模式的缺点这种说法还是有点牵强！
    共 2 条评论
    77
  • Richie
    2020-03-08
    课堂讨论第2点，我认为应该先搞清楚需求，为什么需要在getInstance()方法中加参数，想要达到什么目的？ 这里分两种情况讨论一下： 1. 如果的确需要一个全局唯一的类，并且这个类只能被初始化一次，那么应该采用文中提到的第三种解决思路，即将所需参数放到全局的配置文件中，从而避免多次初始化参数被忽略或者抛出运行时异常的问题； 2. 如果是要根据不同参数构造出不同的对象，并且相同参数的对象只被构造一次，那么应该改成在Singleton类中维护一个HashMap，然后每次调用getInstance()方法的时候，根据参数去判断对象是否已经存在了（可以采用双重检测），存在则直接返回，不存在再去创建，然后存储，返回。个人理解，这应该是单例+简单工厂的结合。
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    共 3 条评论
    60
  • 李小四
    2020-02-22
    设计模式_42: # 作业 1. 可以把单例的对象以依赖注入的方式传入方法； 2. 第二次调用时，如果参数发生了变化，应该抛出异常。 # 感想 坦白讲，一直以使用双重检测沾沾自喜。。。现在看来，要不要使用单例要比使用那种单例的实现方式更需要投入思考。
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    共 1 条评论
    29
  • 林子er
    2020-04-23
    由于单例本身存在的一系列缺点，而单例一般又都是全局的，因而一般我们项目中很少直接使用单例，而是通过容器注入，让容器充当单例和工厂。有时候我们甚至使用伪单例，即类本身并不是单例的，而是通过容器保证单例性，实际编程中按照约定只通过容器获取该实例。 参数化单例实际中是通过Map解决的，即同样的参数才返回同一个实例，不同的参数返回不同的实例，为了保证实例不会太多，一般可传的参数我们会事先做了限制，比如只能使用配置文件中配置的（如数据库连接池的名称）
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    16
  • webmin
    2020-02-07
    1. 如果项目中已经用了很多单例模式，比如下面这段代码，我们该如何在尽量减少代码改动的情况下，通过重构代码来提高代码的可测试性呢？ CacheManager.getInstance(long userId)中增加Mock开关，如： private User mockUser; public CacheManager.setMockObj(User mockUser) public User getInstance(long userId) { if(mockUser != null && mockUser.getUserId() == userId) { return mockUser } } 2. 在单例支持参数传递的第二种解决方案中，如果我们两次执行 getInstance(paramA, paramB) 方法，第二次传递进去的参数是不生效的，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？ 第一次构造Instance成功时需要记录paramA和paramB，在以后的调用需要匹配paramA与paramB构造成功Instance时的参数是否一至，不一至时需要抛出异常。
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    共 3 条评论
    8
  • 小麦
    2020-04-03
    不太能理解的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则，比如 spring 中的 service 类一般也是单例的，也是继承接口，controller 的调用也是基于接口，不觉得有什么问题啊，如果实现类变了，也只是改注入而已啊。
    共 3 条评论
    6
  • 黄林晴
    2020-02-07
    打卡
    6
  • Eden Ma
    2020-02-07
    2、instance不为空抛出异常
    共 1 条评论
    5
  • Roger宇
    2020-05-15
    想问一下老师，所谓两个资源池，慢的请求独占一个的设计，如何知道一个sql请求会快会慢？快与慢更多是在运行后才知道的，已经进去运行了还怎么保证独占呢？除非有机制可以在处理sql请求之前评估可能需要的时间。

    作者回复: 根据业务来估算的，有些业务本身就很慢，就判定为慢sql

    2
  • 小喵喵
    2020-02-14
    2.可以使用反射修改单例中参数信息
    2
  • Ken张云忠
    2020-02-09
    1.下面这段代码，我们该如何在尽量减少代码改动的情况下，通过重构代码来提高代码的可测试性呢？ 将单例类中新增一个用于获取测试instance的函数,命名getTestInstance(User testUser),该函数中把需要的测试用例通过参数传入instance当中,当要做测试时就可以通过getTestInstance函数来获取实例得到需要的测试数据. public boolean validateCachedUser(long userId) { User actualUser = userRepo.getUser(userId); //User cachedUser = CacheManager.getInstance().getUser(userId);//生产使用 User cachedUser = CacheManager.getTestInstance(actualUser).getUser(userId);//测试使用 // 省略核心逻辑：对比cachedUser和actualUser... } 2.第二次传递进去的参数是不生效的，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？ 第二次调用getInstance时如果带有与之前相同参数就直接返回instance实例;如果参数不相同且业务允许构建新的instance实例就允许再第二次getInstance时构建新的实例,如果业务不允许就在构建时抛出异常. public synchronized static Singleton getInstance(int paramA, int paramB) { if (instance == null) { instance = new Singleton(paramA, paramB); } else if (this.paramA != paramA || this.paramB != paramB) { //instance = new Singleton(paramA, paramB);// 业务允许 throw new RuntimeException("Singleton has been created!");// 业务不允许 } return instance; }
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    2
  • 辣么大
    2020-02-07
    思考题1： 提出一个方法：public Uer getCahcedUser(userId){}，然后mock getCahcedUser方法。 测试： public boolean validateCachedUesr(userid){ User cachedUser = getMockCachedUser… User actualUser = userRepo.getUser(userid) // validate … } 思考题2： A singleton with parameters is NOT a singleton because you may have more object than one of them. 改进：得到单例对象后，再初始化参数。 SingletonObj singleton = SingletonObj.getInstance() singleton.init(paramA, paramB)
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    共 2 条评论
    2
  • @二十一大叔
    2022-09-27 来自上海
    1. public class Demo { private UserRepo userRepo; // 通过构造哈函数或IOC容器依赖注入 private CacheManager cacheManager; // 将获取CacheManager对象提出来，通过依赖注入的方式初始化 public Demo(CacheManager cacheManager){ this.cacheManager = cacheManager; } public boolean validateCachedUser(long userId) { User cachedUser = getCachedUser(userId); User actualUser =userRepo.getUser(userId); // 省略核心逻辑：对比cachedUser和actualUser... } public User getCachedUser(long userId){ return cacheManager.getInstance().getUser(userId); } static class MockManager extends CacheManager { private static MockManager mockManager; private MockManager(){} public static MockManager getInstance(){ //todo return mockManager; } public static User getUser(long userId){ // 返回mock数据 return new User(userId); } } public static void main(String[] args) { CacheManager cacheManager = MockManager().getInstance(); Demo demo = new Demo(cacheManager); User user = demo.getCachedUser(123L); }
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    1
  • 红烧冰淇淋
    2022-08-17 来自北京
    难道单例模式最大的问题不是没办法横向扩展吗？ 现在都是多实例部署了，单个实例内部的单例模式没有啥意义
    1
  • 小动物
    2020-04-05
    之前重构过一个简单业务模块，原入口是一个简单的单例：biz1class.getinstance().doSomething()。但新需求单例模式不支持，需要支持不同处理业务的模式，于是重构。 当时的思路是，其实实际业务代码并不关心getinstance()后返回的是什么。所以这个方法的返回类型由原来的类换成接口对业务代码而言，基本无影响，最多重新编译下代码。 所以最后的方案是将原业务类提供的方法提取成合适的接口，并编写相关实现类。原getInstance()方法返回类型改成接口。并根据当前配置返回不同的实现类以满足不同的处理方式。 基于这个思路，文章中的问题应该就能解决了。让原先的biz1class的getinstance方法支持返回自己想要的实现即可。
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    1
  • 忆水寒
    2020-02-07
    第一个问题，为了增加可测试性，也就是尽量可以测试中间结果。我觉得可以将cacheUser那一行代码和下一行代码分别抽取出来封装📦。 第二个问题，可以将参数保存在静态类中，本身这个类新增一个init函数，在new 对象后进行调用init。这样用户可以不需要加载参数。当然了，如果一定要在getInstance时传入参数，那么也可以校验参数是否和上一次传入的参数是否一致。
    1
  • crown clown
    2022-12-28 来自广东
    synchronized 保证的 有序性 和 volatile 保证的有序性不是一种有序性： 前者保证的是 unlock 先于 lock ，但并不能避免指令重排序，也就是说可能会出现赋值了，但没有实例初始化的情况；后者是避免指令重排序的，也就是读必然在 实例初始化之后；因此 双重锁 需要 volatile 才能避免指令重排。
  • 搬砖农民工👩‍🌾
    2022-07-05
    上节课中又说道，静态内部类也可以做到延迟加载，这节课说做不到，我看了下菜鸟教程，静态内部类是可以做到延迟加载的，不知是我理解做错了，还是老师不小心打错了
    共 1 条评论
  • Geek_7e0e83
    2022-04-21
    1. 可以把单例的获取ID的功能移到另一个函数中封装起来，然后mock那个新的方法即可 2.可以当instance不为null 的时候 打印warn日志，提示用户输入的参数已经不生效了，或者换别的方式实现单例，比如配置文件的方式。而不是在instance方法上加入参