23种设计模式之单例模式

时间 2019-11-08

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一、定义

所谓的单例模式，就是采起必定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，而且该类只提供一个取得其对象实例的方法（静态方法）。好比，Hibernate的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责建立Session对象。SessionFactory并非轻量级的，通常状况下，一个项目一般只须要一个SessionFactory就够了，这就会使用到单例模式。程序员

二、方式

2.1 饿汉式（线程安全）

public class Singleton {

    // 一、构造器私有化，防止new
    private Singleton(){
    }
    
    // 二、类内部建立对象实例
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    
    // 三、提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}
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优缺点：数据库

优势：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有带到Lazy Loading的效果。若是从始至终从未使用过这个实例，则会形成内存的浪费。

这种方式基于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，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法，可是致使类装载的缘由有不少种，所以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就没有达到Lazy Loading的效果。 *结论：这种方式可用，可是形成内存浪费。

2.2 懒汉式（线程不安全）

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

起到了Lazy Loading的效果，可是只能在单线程下使用。

若是在多线程下，一个线程进入了if(singleton == null)判断语句块，还将来得急往下执行，另外一个线程也经过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。因此在多线程环境下不可以使用这种方式。

结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

2.3 懒汉式（线程安全）

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

解决了线程安全问题。

效率过低了，每一个线程在想获取类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想得到该类实例，直接return就好了。方法进行同步效率过低。

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式。

2.4 双层检查

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，由于会有两次检查instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为何在同步块内还要在检验一次？由于可能会有多个线程一块儿进行同步块外的if，若是在同步块内不进行二次检查的话就会生成多个实例了。bash

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }
    
    private static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); 
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
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这段代码看起来很完美，很惋惜，它是有问题的。主要在于instance = new Singleton()这句，这并不是是一个原子操做，事实上在JVM中这句话大概作了下面3件事。网络

1）给instance分配内存。session

2）调用Singleton的构造函数来初始化成员变量。多线程

3）将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步instance就为非null了）。app

可是在JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序多是1-2-3，也多是1-3-2。可是在3执行完毕、2未执行以前，被线程二抢占了，这时instance已是非null了（但却没有初始化），因此线程二会直接返回instance，而后使用，最后瓜熟蒂落地报错。函数

解决方法：将instance变量声明成volatile就能够了。

public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }
    
    private volatile static Singleton instance;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
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有些人认为使用volatile的缘由是可见性，也就是能够保证线程在本地不会存有instance的副本，每次都是去主内存读取。但实际上是不对的。使用volitile的主要缘由是其另外一个特性：静止指令重排序优化。也就是说，在volatile变量的赋值操做后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操做不会被重排序到内存屏障以前。比例上面的例子，取操做必须在执行完1-2-3以后或者1-3-2以后，不存在执行到1-3而后取到值的状况。从[先行发生原则]的角度理解的话，也就是对于一个volatile变量的写操做都先行发生于后面对这个变量的读操做（这里的“后面”是时间上的前后顺序）。

可是特别注意在Java 5之前的版本使用volatile的双检锁仍是有问题的。其缘由是Java 5之前的JMM（Java内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成volatile也不能彻底避免重排序，主要是volatitle变量先后的代码仍然存在重排序问题。这个volatile屏蔽重排序的问题在Java 5中才得以修复，因此在这以后才能够放心使用volatile。

优缺点：

Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，咱们进行了两次if(singleton == null)检查，这样就能够保证线程安全了。

这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if(singleton == null)，直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步。

线程安全；延迟加载；效率较高。

结论：在实际开发中，推荐使用这种方式。

2.5 静态内部类

public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }
    
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}
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优缺点：

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只用一个线程。

静态内部类方式在SIngleton类被装载时并不会当即实例化，而是在须要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，因此在这里，JVM帮助咱们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是没法进入的。

优势：避免了线程不安全，利用静态内部类特色实现延迟加战，效率高。

结论：推荐使用。

2.6 枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}
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优缺点：

这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不只能避免多线程同步问题，并且还能防止反序列化从新建立新的对象。

这种方式是Effective Java做者Josh Blocj提倡的方式。

结论：推荐使用。

三、应用场景

windows的Task Manager（任务管理器）就是典型的单例模式。

windows的 Recycle Bin（回收站）。

网络的计数器，通常也是采用单例模式实现，不然难以同步。

应用程序的日志应用，通常都何用单例模式实现，这通常是因为共享的日志文件一直处于打开状态，由于只能有一个实例去操做，不然内容很差追加。

Web应用的配置对象的读取，通常也应用单例模式，这个是因为配置文件是共享的资源。

数据库链接池的设计通常也是采用单例模式，由于数据库链接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库链接池，主要是节省打开或者关闭数据库链接所引发的效率损耗，这种效率上的损耗仍是很是昂贵的，由于何用单例模式来维护，就能够大大下降这种损耗。

多线程的线程池的设计通常也是采用单例模式，这是因为线程池要方便对池中的线程进行控制。

操做系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操做系统只能有一个文件系统。

HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，全部的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

四、在JDK中的应用

Runtime.class使用单例模式的代码：

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */ private Runtime() {} } 复制代码

五、注意事项和细节

当想实例化一个单例类的时候，必需要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new。

只能使用单例类提供的方法获得单例对象，不要使用反射，不然将会实例化一个新对象。

不要作断开单例类对象与类中静态引用的危险操做。

多线程使用单例使用共享资源时，注意线程安全问题。

单例模式使用的场景：须要频繁的进行建立和销毁的对象；建立对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象），但又常常用到的对象；有状态的工具类对象；频繁访问数据库或文件的对象（好比：数据源、session工厂等）。

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