Java软件设计模式-单例设计模式

1.软件设计模式的概念

2.设计模式分类

2.1 创建型模式

2.2 结构型模式

2.3 行为型模式

3.单例设计模式

3.1 单例模式的结构

3.2 单例模式的实现

3.2.1 饿汉式-方式1（静态变量方式）

3.2.2 懒汉式-方式1（线程不安全）

3.2.3 懒汉式-方式2（线程安全）

3.3 单例模式的优点和缺点

1.软件设计模式的概念

软件设计模式（Software Design Pattern），又称设计模式，是一套被“反复使用”、“多数人知晓的”、“代码设计经验的总结”。它描述了在软件设计过程中的一些不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案。也就是说，它是解决特定问题的一系列套路，是“前辈们的代码设计经验的总结”，具有一定的普遍性，可以反复使用。

2.设计模式分类

2.1 创建型模式

用于描述“怎样创建对象”，它主要特点是“将对象的创建与使用分离”。GoF书中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者五种创建型模式。

2.2 结构型模式

用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构，GoF书中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合等 7 种结构型模式。

2.3 行为型模式

用于描述类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象无法单独完成的任务，以及怎样分配职责。GoF（四人组）书中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器11 种行为型模式。

3.单例设计模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种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。

3.1 单例模式的结构

单例模式的主要有以下角色：

单例类。只能创建一个实例的类.
访问类。使用单例类

3.2 单例模式的实现

单例模式的设计分为俩种：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建。
懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会被创建。

3.2.1 饿汉式-方式1（静态变量方式）

/**
 * 饿汉式
 *      静态变量创建类的对象
 */
public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

说明：

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

3.2.2 懒汉式-方式1（线程不安全）

/**
 * 懒汉式
 *  线程不安全
 */
public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {

        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明：

从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值的呢？当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，如果是多线程环境，会出现线程安全问题。

3.2.3 懒汉式-方式2（线程安全）

/**
 * 懒汉式
 *  线程安全
 */
public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static synchronized Singleton getInstance() {

        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明：

该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。从上面代码我们可以看出，其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在了。

3.2.4 懒汉式-方式3（双重检查锁）

再来讨论一下懒汉模式中加锁的问题，对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式。

/**
 * 双重检查方式
 */
public class Singleton { 

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static Singleton instance;

   //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
		//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //抢到锁之后再次判断是否为null
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

说明：

双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。

要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性。

/**
 * 双重检查方式
 */
public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    private static volatile Singleton instance;

   //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
		//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实际
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //抢到锁之后再次判断是否为空
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

小结：

添加 volatile 关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

还有，这里的private static volatile Singleton singleton = null;中的volatile也必不可少，volatile关键字可以防止jvm指令重排优化。

在java内存模型中，volatile 关键字作用可以是保证可见性或者禁止指令重排。这里是因为 singleton = new Singleton() ，它并非是一个原子操作，事实上，在 JVM 中上述语句至少做了以下这 3 件事：

第一步是给 singleton 分配内存空间；
第二步开始调用 Singleton 的构造函数等，来初始化 singleton；
第三步，将 singleton 对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton 就不是 null 了）。

这里需要留意一下 1-2-3 的顺序，因为存在指令重排序的优化，也就是说第 2 步和第 3 步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序，可能是 1-2-3，也有可能是 1-3-2。

如果是 1-3-2，那么在第 3 步执行完以后，singleton 就不是 null 了，可是这时第 2 步并没有执行，singleton 对象未完成初始化，它的属性的值可能不是我们所预期的值。假设此时线程 2 进入 getInstance 方法，由于 singleton 已经不是 null 了，所以会通过第一重检查并直接返回，但其实这时的 singleton 并没有完成初始化，所以使用这个实例的时候会报错，详细流程如下图所示：

这里还说一下volatile关键字的第二个作用，保证变量在多线程运行时的可见性：

public class Test01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        T t=new T();
        t.start();

        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("主线程设置t线程的参数来止损失");
        t.setFlag(false);
    }
}
class T extends Thread{
    private volatile boolean flag=true;

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("进入run方法");
        while(flag){

        }
    }
}

在 JDK1.2 之前，Java的内存模型实现总是从主存（即共享内存）读取变量，是不需要进行特别的注意的。而在当前的 Java 内存模型下，线程可以把变量保存本地内存（比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。要解决这个问题，就需要把变量声明为 volatile，这就指示 JVM，这个变量是不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。