设计模式之单例模式

单例模式

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建立型模式，它提供了一种建立对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责建立本身的对象，同时确保只有单个对象被建立。这个类提供了一种访问其惟一的对象的方式，能够直接访问，不须要实例化该类的对象。‘’

注意：

• 一、单例类只能有一个实例。
• 二、单例类必须本身建立本身的惟一实例。
• 三、单例类必须给全部其余对象提供这一实例。

---

介绍

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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地建立与销毁。

什么时候使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，若是有则返回，若是没有则建立。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

• 一、一个班级只有一个班主任。
• 二、Windows 是多进程多线程的，在操做一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操做一个文件的现象，因此全部文件的处理必须经过惟一的实例来进行。
• 三、一些设备管理器经常设计为单例模式，好比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。

优势：

• 一、在内存里只有一个实例，减小了内存的开销，尤为是频繁的建立和销毁实例（好比管理学院首页页面缓存）。
• 二、避免对资源的多重占用（好比写文件操做）。

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。

使用场景：

• 一、要求生产惟一序列号。
• 二、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。
• 三、建立的一个对象须要消耗的资源过多，好比 I/O 与数据库的链接等。

注意事项：getInstance() 方法中须要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入形成 instance 被屡次实例化。

---

实现

咱们将建立一个 SingleObject 类。_SingleObject_ 类有它的私有构造函数和自己的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。_SingletonPatternDemo_ 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

---

步骤 1

建立一个 Singleton 类。

SingleObject.java

public class SingleObject {
 
   //建立 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(){}
 
   //获取惟一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

---

步骤 2

从 singleton 类获取惟一的对象。

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();
 
      //获取惟一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

---

步骤 3

执行程序，输出结果：
Hello World!

---

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，以下所示：

一、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

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。由于没有加锁 synchronized，因此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做。

实例

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

---

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，可是在性能上有所差别。

二、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式具有很好的 lazy loading，可以在多线程中很好的工做，可是，效率很低，99% 状况下不须要同步。
优势：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）。

实例

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

---

三、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较经常使用，但容易产生垃圾对象。
优势：没有加锁，执行效率会提升。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 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，虽然致使类装载的缘由有不少种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 可是也不能肯定有其余的方式（或者其余的静态方法）致使类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

实例

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

---

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

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程状况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

实例

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;  
    }  
}

---

五、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：通常

描述：这种方式能达到双检锁方式同样的功效，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状况，双检锁方式可在实例域须要延迟初始化时使用。
这种方式一样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不一样的是：第 3 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 不必定被初始化。由于 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有经过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，若是实例化 instance 很消耗资源，因此想让它延迟加载，另一方面，又不但愿在 Singleton 类加载时就实例化，由于不能确保 Singleton 类还可能在其余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。

实例

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

---

六、枚举

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种实现方式尚未被普遍采用，但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，绝对防止屡次实例化。
这种方式是 Effective Java 做者 Josh Bloch 提倡的方式，它不只能避免多线程同步问题，并且还自动支持序列化机制，防止反序列化从新建立新的对象，绝对防止屡次实例化。不过，因为 JDK1.5 以后才加入 enum 特性，用这种方式写难免让人感受生疏，在实际工做中，也不多用。
不能经过 reflection attack 来调用私有构造方法。

实例

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

总结

通常状况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。若是涉及到反序列化建立对象时，能够尝试使用第 6 种枚举方式。若是有其余特殊的需求，能够考虑使用第 4 种双检锁方式。