爪哇语言单态创立性模式介绍(上)

　　什么是模式
　　一个围棋下得好的人知道,好的"形"对于围棋非常重要。形是棋子在棋盘上的几何形状的抽象化。 形就是模式(Pattern),也是人脑把握和认识外界的关键。而人脑对处理模式的能力也非常高超， 人可以在几百张面孔中一下子辨认出所熟悉的脸来,就是一个例子。
　　简而言之,在我们处理大量问题时,在很多不同的问题中重复出现的一种性质,它使得我们可以使用一种方法来描述问题实质并用本质上相同,但细节永不会重复的方法去解决,这种性质就叫模式。模式化过程是把问 题抽象化,在忽略掉不重要的细节后,发现问题的一般性本值,并找到普遍使用的方法去解决的过程。
　　发现模式是与研究模式同时发生的，发现一个新的模式很不容易。一个好的模式必须满足以下几点：
　　1、它可以解决问题。模式不能仅仅反映问题，而必须对问题提出解决方案。
　　2、它所提出解决方案是正确的，而且不是很明显的。
　　3、它必须是涉及软件系统深层的结构的东西，不能仅是对已有的模块的描述。
　　4、它必须满足人的审美，简洁美观。
　　换言之，一个美妙的东西不一定就是模式，但是一个模式必须是一个美妙的东西。
　　软件工程学的各个方面，诸如开发组织，软件处理，项目配置管理，等等，都可以看到模式的影子。但至今 得到了最好的研究的是设计模式和组织模式。在软件编程中使用模式化方法, 是在编程对象化之后才开始得到重视的。软件编程中模式化方法的研究,也是在九十年代才开始。
　　在面向对象的编程中使用模式化方法研究的开创性著作,是
　　Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software, E.Gamma, R. Helm, R. Johnson, and J. Vlissides,1995, Addison-Wesley.
　　这四位作者通常被称为四人帮(Gang of Four, 或GoF)。（在这个词出现以后，很多西方商业炒作利用这个 路人皆知的词赚钱，有一个八十年代的美国四人乐队以此为队名。在英国政界更曾有好几个小帮派被称为四人帮。 在这里大家使用这个词称呼这四个著名作者，带有戏虐成分。）
　　由于爪哇语言的特点,使得模式在爪哇语言的实现有自己的特点。 爪哇语言是现今最普及的纯粹OOP的编程语言,使用爪哇语言编程的程序师平均的素质也相对比较高。 这些程序师往往不满足于只是实现程序功能要求,他们常常想要在代码结构,编程风格,乃至解决问题的 思考方式上不断进取和自我完善。模式,就是在大量的实践中总结和理论化之后的优选的代码结构,编程风格, 及解决问题的思考方式。对模式的了解和掌握,是爪哇程序师提高自身素质的一个很好的方向。
　　作者在学习和工作中把自己的体会 总结下来,藉以与读者交流提高。
　　作者在后面会使用简单的UML(统一建模语言,Unified Modelling Languge)。由于市场上有很多介绍UML 的书,而作者在后面使用到的UML又极为简单,因此只在此作一极为简单的介绍,目的是让没有接触过UML的 读者能看懂后面的讲述。
　　　
　　图1. UML的类图举例　
　　在图1的类图中可以看出,表示类的框分成四层:类名,变量清单,函数清单和属性清单。 变量名如是正体字，表明类是实的(Concrete,即可以实例化的类),变量名如是斜体字，表明类是抽象的。 显然,我们在图中给出了一个实的类。
　　在图1的类ClassUML中,一个变量或函数(方法)左面如果有一个加(+)号,表示它是公开的, 左面如果有一个减(-)号,表示它是私有的,左面如果有一个井(#)号,表示它是保护的。
　　一个属性即由一个内部变量,一个赋值函数(mutator)和一个取值函数(accessor)组成的结构。
　　在类的方框的右上角里，通常还分两行写出类的父类和所实现的接口。在后面读者会看到例子。
　　在类与类之间,会有线条指明它们之间的关系。在类与类之间可以发生推广(与继承相反),依赖,累积和关联 等关系。在后面读者看到例子时作者会加以解释。
　　package com.javapatterns.singleton.demos;
　　public class ClassUML {
　　　public ClassUML() {}
　　　private void aPrivateFunction() {}
　　public void aPublicMethod() {}
　　　public int getAProperty(){ return aPrivateVar; }
　　　public void setAProperty(int aPrivateVar)
　　{ this.aPrivateVar = aPrivateVar; 　}
　　　static public void aStaticMethod() {}
　　　protected void aProtectedMethod() {}
　　　private int aPrivateVar;
　　　public int aPublicVar;
　　　protected int aProtectedVar;
　　}
　　代码清单1. ClassUML类的源代码。
　　什么是创立性模式
　　创立性模式(Creational Patterns)是类在实例化时使用的模式。当一些系统在创立对象时,需要动态地决定 怎样创立对象,创立哪些对象。创立性模式告诉我们怎样构造和包装这些动态的决定。创立性模式通常包括 以下的模式
　　1、工厂函数模式
　　2、抽象工厂类模式
　　3、建设者模式
　　4、原始模型模式
　　5、单态模式
　　单态模式
　　一个单态类只可有一个实例。这样的类常用来进行资源管理。
　　需要管理的资源包括软件外部资源，譬如，每台 计算机可以有若干个打印机，但只能有一个打印处理器软件。每台计算机可以有若干传真卡，但是 只应该有一个传真软件管理传真。每台计算机可以有若干通讯端口，你的软件应当集中管理这些 通讯端口，以避免同时一个通讯端口被两个请求同时调用。
　　需要管理的资源包括软件内部资源，譬如，大多数的软件都有一个(甚至多个)属性（properties）文件 存放系统配置。这样的系统应当有一个对象来管理一个属性文件。很多软件都有数据库，一般而言， 整个软件应当使用一个联接通道，而不是任意在需要时就新打开一个联接通道。
　　需要管理的软件内部资源也包括譬如负责纪录网站来访人数的部件,记录软件系统内部事件、出错 信息的部件，或是进行系统表现监查的的部件,等等。这些部件都必须集中管理，不可政出多头。
　　单态类的特性
　　综合而言，
　　1、单态类只可有一个实例。
　　2、它必须自己创立自己这唯一的一个实例。
　　3、它必须给所有其它的类提供自己这一实例。
　　最后，单态类在理论和实践上都并非限定只能有"一个"实例,而是很容易推广到任意有限个实例的情况。
　　单态模式的几种实现
　　由于爪哇语言的特点,使得单态模式在爪哇语言的实现有自己的特点。这些特点主要表现在怎样实例化上。
　　饿汉式单态类
　　饿汉式单态类是在爪哇语言里实现得最为简便的单态类。
　　　
　　图2.饿汉式单态类的UML类图　
　　图中的关系线表明,此类自已将自己实例化。
　　package com.javapatterns.singleton.demos;
　　public class EagerSingleton {
　　private EagerSingleton() { }
　　public static EagerSingleton getInstance() {
　　return m_instance;
　　}
　　private static final EagerSingleton m_instance = new EagerSingleton();
　　}
　　代码清单2.饿汉式单态类。
　　值得指出的是,由于构造子是私有的,因此此类不能被继承。
　　懒汉式单态类
　　懒汉式单态类在第一次被引用时将自己实例化。如果加载器是静态的,那么在懒汉式单态类被加载时不 会将自己实例化。
　　package com.javapatterns.singleton.demos;
　　public class LazySingleton {
　　private LazySingleton() { }
　　
　　public static LazySingleton getInstance()
　　{
　　　if (m_instance == null)
　　　{
　　file://More than one threads might be here!!!
　　synchronized(LazySingleton.class)
　　{
　　　if (m_instance == null)
　　　{
　　　　m_instance = new LazySingleton();
　　　}
　　}
　　　}
　　　return m_instance;
　　}
　　private static LazySingleton m_instance = null;
　　}　　　　　　　　　　　　　　　代码清单3.懒汉式单态类。
　　
　　图3.懒汉式单态类
　　图中的关系线表明,此类自已将自己实例化。
　　读者可能会注意到，在上面给出 懒汉式单态类实现里,使用了在多线程编程中常要使用的，著名的双重检查原则。对双重检查原则 和多线程编程要点不十分熟悉的读者，可以看看后面给出的问答题。
　　同样,由于构造子是私有的,因此此类不能被继承。
　　饿汉式单态类在自己被加载时就将自己实例化。既便加载器是静态的,在饿汉式单态类被加载时仍 会将自己实例化。单从资源利用效率角度来讲,这是比懒汉式单态类稍差些。从速度和反应时间角度来 讲,则比懒汉式单态类稍好些。然而,懒汉式单态类在实例化时必须处理好在多个线程同时首次引 用此类时,实例化函数内部关键段的访问限制问题。特别是当单态类作为资源控器,在实例化时必然涉及 资源初始化,而资源初始化很有可能耗费时间。这意味着出现多线程同时首次引 用此类的几率变得较大。
　　饿汉式单态类可以在爪哇语言内实现,但不易在C++内实现,因为静态初始化在C++里没有固定的顺序, 因而静态的m_instance变量的初始化与类的加载顺序没有保证,可能会出问题。这就是为什么GoF在提出 单态类的概念时,举的例子是懒汉式的。他们的书影响之大,以致爪哇语言中单态类的例子也大多是 懒汉式的。实际上，作者认为饿汉式单态类更符合爪哇语言本身的特点。