一文读懂设计模式-单例模式

单例模式（Singleton Pattern）提供了一种创建对象的最佳方式

单例模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建，这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象

单例模式设计要点

1、单例类只能有一个实例；

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例；

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例；

单例模式属于创建型模式

摘要

1、意图：

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点

2、主要解决：

一个全局使用的类频繁地创建与销毁

3、何时使用：

当你想控制实例数目，节省系统资源的时候

4、如何解决：

判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建

5、关键代码：

构造函数是私有的

6、应用实例：

1）、一个党只能有一个主席

2）、Windows是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行

3）、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件

7、优点：

1）、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）

2）、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）

8、缺点：

没有接口、不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化

9、使用场景：

1）、要求生产唯一序列号

2）、WEB中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来

3）、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如I/O与数据库的连接等

10、注意事项：

getInstance()方法中需要使用同步锁synchronized(Singleton.class)防止多线程同时进入造成instance被多次实例化

实现

1、创建一个SingleObject类，SingleObject类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例SingleObject类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例

2、SingletonPatternDemo使用SingleObject类来获取SingleObject对象；

范例

1.创建一个Singleton类

SingleObject.java

public class SingleObject {
    //创建SingleObject的一个对象
    private static SingleObject instance = new SingleObject();
    //让构造函数为Private，这样该类就不会被实例化
    private SingleObject(){}
    //获取唯一可用的对象
    public static SingleObject getInstance(){
        return instance;
    }
    public void showMessage(){
        System.out.println("Hello world!");
    }
}

2.从singleton类获取唯一的对象

singletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {
    public static void main(String[] args){
        //不合法的构造函数
        //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
//        SingleObject object = new SingleObject();
        //获取唯一可用的对象
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();
        //显示消息
        object.showMessage();
    }
}

编译运行以上 Java 范例，输出结果如下

Hello world!

单例模式的几种实现方式

1、懒汉式，线程不安全

1、是否Lazy初始化：是

2、是否多线程安全：否

3、实现难度：易

4、描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程；

因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式

这种方式Lazy loading很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

下面几种都是线程安全的，支持多线程，但是在性能上有所差异

2、懒汉式，线程安全

1、是否Lazy初始化：是

2、是否多线程安全：是

3、实现难度：易

4：描述：这种方式具备很好的lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99%情况下不需要同步

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费

缺点：必须加锁synchronized才能保证单例，但加锁会影响效率。getInstance()的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

3、懒汉式

1、是否lazy初始化：否

2、是否多线程安全：是

3、实现难度：易

4、描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象

优点：没有加锁，执行效率会提高

缺点：类加载时就初始化，浪费内存。它基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，素日导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用个体Instance方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化Instance显然没有达到lazy loading的效果

public class Singleton{  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即double-checked locking)

1、JDK版本：JDK1.5起

2、是否lazy初始化：是

3、是否多线程安全：是

4、实现难度：较复杂

5、描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保证高性能getInstance()的性能对应用程序很关键

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  
            singleton = new Singleton();  
        }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

5、登记式/静态内部类

1、是否lazy初始化：是

2、是否多线程安全：是

3、实现难度：一般

4、描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单

对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式

这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用

这种方式同样利用了classloder机制来保证初始化Instance时只有一个线程，它跟第三种方式不同的是：第三种方式只要Singleton类被装载了，那么Instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果），而这种方式是Singleton类被装载了，Instance不一定被初始化

因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化Instance

想象一下，入股实例化Instance很消耗资源，所以想让它延迟加载，另一方面，又不希望在Singleton类加载时就实例化，因为不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化Instance显然是不合适的

这个时候，这种方式相比第3种方式就显得很合理

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

6、枚举

1、JDK版本：JDK1.5起

2、是否lazy初始化：否

3、是否多线程安全：是

4：实现难度：易

5：描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但是这是实现单例模式的最佳方法；

它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化

这种方式是Effective Java作者 Josh Bloch提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列号机制，防止反序列化重新创建对象，绝对防止多次实例化

不过，由于JDK1.5之后才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用

不能通过reflection attack来调用私有构造方法

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    } 
}

最佳实战

一般情况下，不建议使用第一种和第二种懒汉式模式，建议使用第三种饿汉式单例

只有在要明确实现lazy loading效果时，才会使用第五种登记方式

如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第6种枚举方式

如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第4种双检锁方式